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Backward compatibility of class libraries ensures that an old implementation of a library can safely be replaced by a new implementation without breaking existing clients.
Formal reasoning about backward compatibility requires an adequate semantic model to compare the behavior of two library implementations.
In the object-oriented setting with inheritance and callbacks, finding such models is difficult as the interface between library implementations and clients are complex.
Furthermore, handling these models in a way to support practical reasoning requires appropriate verification tools.
This thesis proposes a formal model for library implementations and a reasoning approach for backward compatibility that is implemented using an automatic verifier. The first part of the thesis develops a fully abstract trace-based semantics for class libraries of a core sequential object-oriented language. Traces abstract from the control flow (stack) and data representation (heap) of the library implementations. The construction of a most general context is given that abstracts exactly from all possible clients of the library implementation.
Soundness and completeness of the trace semantics as well as the most general context are proven using specialized simulation relations on the operational semantics. The simulation relations also provide a proof method for reasoning about backward compatibility.
The second part of the thesis presents the implementation of the simulation-based proof method for an automatic verifier to check backward compatibility of class libraries written in Java. The approach works for complex library implementations, with recursion and loops, in the setting of unknown program contexts. The verification process relies on a coupling invariant that describes a relation between programs that use the old library implementation and programs that use the new library implementation. The thesis presents a specification language to formulate such coupling invariants. Finally, an application of the developed theory and tool to typical examples from the literature validates the reasoning and verification approach.
This thesis is concerned with a phase field model for brittle fracture.
The high potential of phase field modeling in computational fracture mechanics lies in the generality of the approach and the straightforward numerical implementation, combined with a good accuracy of the results in the sense of continuum fracture mechanics.
However, despite the convenient numerical application of phase field fracture models, a detailed understanding of the physical properties is crucial for a correct interpretation of the numerical results. Therefore, the driving mechanisms of crack propagation and nucleation in the proposed phase field fracture model are explored by a thorough numerical and analytical investigation in this work.
This thesis is concerned with tropical moduli spaces, which are an important tool in tropical enumerative geometry. The main result is a construction of tropical moduli spaces of rational tropical covers of smooth tropical curves and of tropical lines in smooth tropical surfaces. The construction of a moduli space of tropical curves in a smooth tropical variety is reduced to the case of smooth fans. Furthermore, we point out relations to intersection theory on suitable moduli spaces on algebraic curves.
This thesis combined gas phase mass spectrometric investigations of ionic transition metal clusters that are either homogeneous \((Nb_n^{+/-}, Co_n^{+/-})\) or heterogeneous \(([Co_nPt_m]^{+/-})\), of their organo metallic reaction products, and of organic molecules (aspartame and Asp-Phe) and their alkali metal ion adducts.At the Paris FEL facility CLIO a newly installed FT-ICR mass spectrometer has been modified by inclusion of an ion bender that allows for the usage of additional ion sources beyond the installed ESI source. The installation of an LVAP metal cluster source served to produce metal cluster adsorbate complex ions of the type \([Nb_n(C_6H_6)]^{+/-}\). IR-MPD of the complexes \([Nb_n(C_6H_6)]^{+/-} (n = 18, 19)\) resulted in \([Nb_n(C_6)]^{+/-} (n = 18, 19)\) fragments. Spectra are broad, possibly because of vibronic / electronic transitions. In Kaiserslautern the capabilities of the LVAP source were extended by adding a gas pick up unit. Complex gases containing C-H bonds otherwise break within the cluster forming plasma. More stable gases like CO seem to attach at least partially intact. Metal cluster production with argon tagged onto the cluster failed when introducing argon through the pick up source, but succeeded when using argon as expansion gas. A new mass spectrometer concept of an additional multipole collision cell for metal cluster adsorbate formation is currently under construction. Subsequent cooling shall achieve high resolution IR-MPD spectra of transition metal cluster adsorbate complexes.Prior work on reaction of transition metal clusters with benzene was extended by investigating the reaction with benzene and benzene-d6 of size selected cationic cobalt clusters \(Co_n^+\) and of anionic cobalt clusters \(Co_n^-\) in the size range \(n = 3 - 28\) and of bimetallic cobalt platinum clusters \([Co_nPt_m]^{+/-}\) in the size range \(n + m \le 8\). Dehydrogenation by cationic cobalt clusters \(Co_n^+\) is sparse, it is effective in small bimetallic clusters \([Co_nPt_m]^+ (n + m \le 3)\). Thus single platinum atoms promote benzene dehydrogenation while further cobalt atoms quench it. Dehydrogenation is ubiquitous in reactions of anionic cobalt clusters. Mixed triatomic clusters \([Co_2Pt_1]^-\) and \([Co_1Pt_2]^-\) are special in causing effective reactions and single dehydrogenation through some kind of cooperativity while \([Co_nPt_{1,2}]^- (n \ge 3)\) do not react at all. Kinetic isotope effects KIE(n) in total reaction rates are inverse and - in part - large, dehydrogenation isotope effects DIE(n) are normal. A multistep model of adsorption and stepwise dehydrogenation from the precursor adsorbate proves suitable to rationalize the found KIEs and DIEs in principle. Particular insights into the effects of charge and of cluster size are largely beyond this model. Some DFT calculations - though preliminary - lend strong support to the otherwise assumed structures and enthalpies. More insights into the cause of the found effects of charge, size and composition of both pure and mixed clusters shall arise from ongoing high level ab initio modeling (of especially the \(n + m = 3\) case for mixed clusters).The influence of the methylester group in the molecules aspartame (Asp-PheOMe) and Asp-Phe has been explored. Therefore, their protonated and deprotonated species and their complexes with alkali metal ions attached were investigated with different techniques utilizing mass spectrometry.Gas phase H-/D-exchange with \(ND_3\) has proven that in both molecules all acidic NH and OH binding motifs do exchange their hydrogen atom and that simultaneous multi exchange is present. Kinetic studies revealed that with alkali metal ions attached the speed of the first exchange step decreases with increasing ion size. The additional OH of the carboxylic COOHPhe group in Asp-Phe increases the exchange speed by a constant value. CID experiments yielded water and the protonated Asp-Phe anhydride as main fragments out of the protonated molecules, neutral Asp anhydride and \([Phe M]^+ / [PheOMe M]^+\) for \(Li^+\) and \(Na^+\) attached, and neutral aspartame / Asp-Phe and ionic \(M^+\) for \(K^+\), \(Rb^+\) and \(Cs^+\) attached. The threshold energy \(E_{CID}\), indicating ion stability, decreases with increasing ion size. For aspartame fragmentation occurs at lower \(E_{CID}\) values for complexes with \(H^+\), \(Li^+\) and \(Na^+\) than for the Asp-Phe analoga. Complexes with \(K^+\), \(Rb^+\) and \(Cs^+\) give the same \(E_{CID}\) value for aspartame and Asp-Phe. IR-MPD investigations lead to the same fragments as the CID experiments. In combination with quantum mechanical calculations a change in the preferred structure from charge-solvated, tridentate type for complexes with small alkali metal ions (\(Li^+\)) to salt-bridge type structure for large alkali metal ions (\(Cs^+\)) could be confirmed. Calculations thereby reveal nearly no structural differences between aspartame and Asp-Phe for cationized species. The deprotonation of the additional COOHPhe group in Asp-Phe is preferred against other acidic positions. A better experimental distinction between possible (calculated) structure types would arise from additional FEL IR-MPD measurements in the energy range of 600 to 1800 \(cm^{-1}\). The comparison of the \(E_{CID}\) values with calculated fragmentation energy values proves that not only for alkali metal complexes with \(K^+\), \(Rb^+\) and \(Cs^+\), but also for \(Li^+\) and \(Na^+\) the bond breaking of all metal atom bonds is part of the transition state. The lower \(E_{CID}\) values for aspartame with small cations may be explained in terms of internal energy. Aspartame is a larger molecule, possesses more internal energy and can be recognized as the larger heat bath. Less energy is needed for fragmentation, if the Phe part with the additional methylester group is involved in the fragmentation process.
Seit dem Beginn der Produktion und Veredelung von Nahrungsmitteln im großtechnischen
Maßstab steigen nicht nur die Mengen an den Hauptprodukten dieser Prozesse, sondern
auch die Mengen der dabei anfallenden Nebenprodukte. Die Entsorgung dieser Nebenprodukte
über Flüsse oder Kläranlagen stellte auf Grund deren BOD (biochemical oxygen
demand) zunehmend ein Problem dar, dessen Lösung unabdingbar wurde. Eines dieser
Nebenprodukte, welches in stets zunehmender Menge anfällt ist Molke, das Hauptnebenprodukt
der Käseherstellung. Die produzierte Jahresmenge betrug für das Jahr 2011 alleine in Deutschland geschätzte 11,80 Mio. Tonnen. Das einstige Abfallprodukt Molke wird seit den 1950er Jahren in zunehmendem Maß vorwiegend zu Molkekonzentrat, einer 5 bis
6-fach aufkonzentrierten Molkelösung, und Molkeproteinpulvern mit steigendem Proteinanteil
aufgearbeitet. In den 2000er Jahren kamen verstärkt Isolate einzelner Molkeproteine dieser Produktpalette hinzu. Bereits vor 15 Jahren wurde die weltweit produzierte Menge
an Molkeproteinkonzentrat auf über 140.000 Tonnen geschätzt. Molkeproteinpulver und alpha-Lactalbumin (ALA) wurden zu dieser Zeit in einer geschätzten Menge von 2.300 Tonnen bzw. 230 Tonnen jährlich hergestellt. Mit der zunehmenden Reinheit der Proteinfraktionen stieg auch deren Marktwert von etwa 1 $/kg für die ersten Molkeproteinpulver in den
1960er Jahren bis auf 600 $/kg für Fraktionen einzelner Proteine mit hoher Reinheit.
Die überwiegende Mehrheit dieser Produkte findet seinen Einsatz in der Nahrungsmittelindustrie,
wie beispielsweise bei der Produktion von Säuglingsnahrung, Sportlerernährung
oder als Texturbildner in verschiedensten Nahrungsmitteln des täglichen Konsums. Die am weitesten verbreiteten Prozesse zur großindustriellen Aufarbeitung von Molke sind
die Ultrafiltration und die Chromatographie. Andere Verfahren wie Fällungsprozesse oder
peptische Hydrolysen kommen mit steigender Prozessgröße immer seltener als alleiniges
Aufarbeitungsverfahren von Molke zum Einsatz. Viele der beschriebenen und angewendeten
Verfahren arbeiten in einem der ersten Schritte mit einer Modifikation des pH-Wertes
des Eduktes Molke. Dies ist in dem hier vorgestellten Verfahren nicht der Fall, das Edukt wird ohne Veränderungen oder Modifikationen eingesetzt. Es werden keine einzelnen Komponenten der Molke im Voraus entfernt oder durch z. B. peptische Hydrolyse zerstört. Die
eingesetzten Chemikalien sind ungiftig und müssen keinen kostenintensiven Entsorgungsverfahren
zugeführt werden. Im Gegensatz zu Verfahren mit Fällungssalzen können die
eingesetzten Chemikalien im Produkt durch Neutralisation einfach wieder entfernt werden
oder kommen in nur geringen Konzentrationen vor. Es treten im Gegensatz zu chromatographischen
Methoden nur geringe Fluidströme, z. B. Waschwasser, auf und der Prozess bedarf keiner massiven Temperaturerhöhung des Eduktes, um beispielsweise die Viskosität
zu erhöhen. Die eingesetzten Adsorbentien sind kostengünstig (unter 10 €/kg) und können im Fall von Siliziumdioxid als restproteinbeladener Tierfutterzusatz entsorgt werden. In dem vorgestellten Prozess können die Hauptkomponenten der Molke alpha-Lactalbumin
(ALA), beta-Lactoglobulin (BLG) und Lactose voneinander getrennt werden, was mit den
meisten Membranverfahren im industriellen Maßstab nicht oder nur ungenügend möglich
ist. Im Prozess werden lediglich einfache Rührkessel und Filtrationseinheiten eingesetzt. Des Weiteren ist der Prozess leicht in bestehende Aufarbeitungsverfahren integrierbar und/oder durch zusätzliche Verfahren, wie beispielsweise vor- oder nachgeschaltete Membranverfahren,
ergänzbar. Dadurch besitzt er ein hohes Potential zur Optimierung und weiteren Kostenersparnis. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze zur Aufarbeitung verfolgt,
miteinander verglichen und ein Prozessentwurf mit Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für den Batch-Ansatz vorgestellt. Für einen chromatographischen Ansatz wird ausgehend von Isothermen
und Adsorptions- und Desorptionsversuchen in einer Kleinsäule die Produktivität
für ein Material aus
gamma-Aluminiumoxid ermittelt. Für alle in dieser Arbeit verwendeten Materialien
aus Bentonit/Kieselsäure, Siliziumdioxid und
gamma-Aluminiumoxid werden die Permeabilität der Säulenpackung, deren maximale Bindekapazität und Stabilität angegeben. Der Einfluss einer Reduktion der Partikelgröße auf die Proteinbindekapazität daraus resultierender
Adsorbensschüttungen wird ebenfalls betrachtet. Eine gängige Betriebsweise
für viskose Fluide mit teilweise ungelöstem Feststoffanteil, wie Molkekonzentrat, stellt die
Expanded Bed Chromatographie dar. Eine rechnerische Abschätzung für das Material aus gamma-Aluminiumoxid ergänzt experimentelle Beobachtungen hinsichtlich der Eignung des Materials
für die Expanded Bed Chromatographie. Zur Trennung von ALA und BLG wird ein
Ansatz mittels selektiver Adsorption im Durchbruch mit einem Ansatz mittels selektiver Desorption in einem Stufengradienten aus Kaliumphosphat als Eluent verglichen. Für den
Batch-Ansatz wird aus den Ergebnissen von Adsorptionsisothermen und einstufigen Batchversuchen
eine Stoffstromsimulation auf Grundlage eines verfahrenstechnischen Fließbilds
erstellt. Der vorgestellte Prozess besteht aus 6 Rührkesselreaktoren, Filtrationsmodulen
zur Fest-Flüssig-Phasen Trennung und zwei Sprühtrocknungseinheiten. Eine Prüfung des
vorgestellten Prozesses auf seine Wirtschaftlichkeit wird vor dem Hintergrund möglicher
Produktpreise diskutiert.
This work shall provide a foundation for the cross-design of wireless networked control systems with limited resources. A cross-design methodology is devised, which includes principles for the modeling, analysis, design, and realization of low cost but high performance and intelligent wireless networked control systems. To this end, a framework is developed in which control algorithms and communication protocols are jointly designed, implemented, and optimized taking into consideration the limited communication, computing, memory, and energy resources of the low performance, low power, and low cost wireless nodes used. A special focus of the proposed methodology is on the prediction and minimization of the total energy consumption of the wireless network (i.e. maximization of the lifetime of wireless nodes) under control performance constraints (e.g. stability and robustness) in dynamic environments with uncertainty in resource availability, through the joint (offline/online) adaptation of communication protocol parameters and control algorithm parameters according to the traffic and channel conditions. Appropriate optimization approaches that exploit the structure of the optimization problems to be solved (e.g. linearity, affinity, convexity) and which are based on Linear Matrix Inequalities (LMIs), Dynamic Programming (DP), and Genetic Algorithms (GAs) are investigated. The proposed cross-design approach is evaluated on a testbed consisting of a real lab plant equipped with wireless nodes. Obtained results show the advantages of the proposed cross-design approach compared to standard approaches which are less flexible.
Lithiumphenylacetylid führte zu einem Halbsandwichkomplex unter Austausch der beiden verbrückenden Bromide gegen Phenylacetylide. Diese neue Halbsandwichverbindung wurde mit Röntgenabsorptionsspektroskopie untersucht und charakterisiert.
Um substituierte Cyclopentadienylliganden anhand ihrer Sperrigkeit charakterisieren zu können, wurden als Maß für den sterischen Anspruch die beiden Kegelwinkel Θ und Ω in Anlehnung an Tolman eingeführt. Als Modellsystem wurden in einer Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Tamm (TU Braunschweig) Cycloheptatrienyl-Zirconium-Komplexe des Typs \([(η^7-C_7H_7)Zr(C_5R_5)]\) ausgewählt, da diese die an ein Modellsystem gestellten Anforderungen erfüllen. Dadurch konnten etwa 20 neue Cycloheptatrienyl-Cyclopentadienyl-Zirconium-Komplexe erhalten werden, bei welchen anhand von Festkörperstrukturen oder DFT-Berechnungen der sterische Anspruch der substituierten Cyclopentadienylliganden ermittelt wurde.
Basierend auf sehr reaktiven Cyclopentadienyl-Eisen-σ-Arylkomplexen konnten zwei unterschiedliche Reaktionen untersucht werden. Zum einen wurde die von Wallasch beobachtete Oxidation von \(Cp'''Fe(II)(σ-Mes)\) \((Cp''' = C_5H_2tBu_3; Mes = C_6H_3-2,4,6-Me_3)\) mit \(PdCl_2\) zu dem neuartigen Komplex \(Cp'''Fe(III)(σ-Mes)Cl\) weiter untersucht, um diese Substanzklasse kennenzulernen. Dabei erwies sich Hexachlorethan als wesentlich günstigeres Oxidationsmittel, mit dessen Hilfe die Verbindungen \(^4CpFe(III)(σ-Mes)Cl,\) \(^4CpFe(III)(σ-C_6H_3-2,6-iPr_2)Cl\) und \(^5CpFe(III)(σ-C_6H_3-2,6-iPr_2)Cl\) synthetisiert und charakterisiert werden konnten.
Auch die von Weismann beobachtete σ/π-Umlagerungsreaktion von \(^5CpFe(σ-C_6H_3-2,6-iPr_2)\) mit Trimethylaluminium zu \(^5CpFe(π-C_6H_3-2,6-iPr_2-AlMe_3)\) wurde näher untersucht. Dazu wurde \(^4CpFe(σ-C_6H_3-2,6-iPr_2)\) mit \(AlR_3\) (R = Me, Et, Pr) umgesetzt, um die entsprechenden Umlagerungsprodukte herzustellen. Diese konnten bei der Umsetzung mit \(AlMe_3\) auch erhalten werden, allerdings zeigten sich bei der Reaktion mit \(AlEt_3\) und \(AlPr_3\) unerwartete Reaktionsprodukte. Durch einen Bromid-Alkyl-Austausch wurden die Komplexe \(^4CpFe(π-C_6H_3-2,6-iPr_2-AlEt_2Br)\) und \(^4CpFe(π-C_6H_3-2,6-iPr_2-AlPr_2Br)\) gebildet. Zusätzlich konnten bei der Umlagerung mit \(AlEt_3\) vier weitere Neben- bzw. Folgeprodukte beobachtet werden. Eines der Folgeprodukte ist der Butinkomplex \((^4CpFe)_2(μ,η^2:η^2-but-2-in)\), der vermutlich durch eine Kupplung zweier Ethylgruppen und Dehydrierung gebildet wird. Reaktionen von \([^4CpFe(μ-Br)]_2\) oder \(^4CpFe(σ-C_6H_3-2,6-iPr_2)\) mit Ethylmagnesiumbromid ergaben den gleichen Komplex. Für die Entstehung der unterschiedlichen Produkte bei der Reaktion von \(^4CpFe(σ-C_6H_3-2,6-iPr_2)\) mit \(AlEt_3\) wurde ein Mechanismus entwickelt und dieser anhand der gewonnenen Erkenntnisse belegt.
Die vorliegende Dissertation umfasst die vier Themengebiete Cobalt(II)-Spincrossover-Verbindungen, Eisen(II)-Spincrossover-Verbindungen, Eisen(II)-Radikal-Komplexe und intermediate-spin-Eisen(III)-Komplexe.
Unter den 18 neuen Cobalt(II)-Verbindungen mit den Tetraazamakrozyklen N,N‘-Dimethyl- bzw. N,N‘-Di-tert-butyl-2,11-diaza[3.3](2,6)pyridinophan als primäre Liganden, die synthetisiert und vollständig charakterisiert werden konnten, befinden sich 5 Komplexe, die einen Spinübergang im Feststoff zeigen. Dieser Spinübergang konnte für alle fünf Verbindungen mittels Röntgenstrukturanalysen bei verschiedenen Temperaturen sowie mittels SQUID-Messungen nachgewiesen werden. Dabei weisen die Verbindungen 7b, 8a und 16b einen graduellen, unvollständigen Spincrossover auf. Die Komplexe 17 und 18 zeigen einen Spinübergang mit einer Übergangstemperatur von 232 bzw. 135 K. Für die beiden letztgenannten Komplexe konnte der Spinübergang auch mittels Raman- und ESR-Spektroskopie nachgewiesen werden. 7 Verbindungen zeigen laut NMR-Evans-Messungen einen Spincrossover in Lösung, wobei dieser jeweils unvollständig ist und über einen weiten Temperaturbereich verläuft. Die Komplexe 7b und 16b weisen sowohl im Feststoff als auch in Lösung einen Spinübergang auf.
Der Vergleich der Cobalt(II)- mit analogen Eisen(II)-Verbindungen zeigt, dass für Cobalt(II)-Spincrossover-Verbindungen neben der Ligandenfeldstärke der koordinierenden Liganden auch die tetragonale Verzerrung der Umgebung des Cobaltions von großer Bedeutung ist. Diese ist für den tert-butylsubstituierten Makrozyklus deutlich stärker ausgeprägt als für das methylsubstituierte Derivat. So kann der low-spin-Zustand energetisch unter dem high-spin-Zustand liegen, obwohl die Ligandenfeldaufspaltung für L-N\(_4\)\(^t\)Bu\(_2\) beim idealen Oktaeder kleiner ist als für L-N\(_4\)Me\(_2\). Dadurch wiederum können die Spincrossover-Komplexe 16b und 18 bei tiefen Temperaturen den low-spin-Zustand erreichen, während die analogen Verbindungen 9 und 10 im high-spin-Zustand verbleiben.
Im Rahmen der Eisen(II)-Spincrossover-Verbindungen konnten 5 neue Komplexe synthetisiert und charakterisiert werden. Dabei handelt es sich einerseits um die Spincrossover-Verbindungen 22a, 23a und 24. Der erstgenannte Komplex zeigt in den SQUID-Messungen einen graduellen Spinübergang, wobei sich unterhalb von 75 K noch etwa 10 bis 15 % der Eisenionen im high-spin-Zustand befinden und bei der Höchsttemperatur von 400 K hauptsächlich der high-spin/high-spin/high-spin-Zustand besetzt ist. Für den Komplex 23a konnte ein gradueller Spincrossover mittels Röntgenstrukturanalysen, SQUID- und Mößbauer-Messungen nachgewiesen werden, die Übergangstemperatur wurde zu 200 K bestimmt. Die Verbindung 24 weist laut SQUID-Magnetometrie einen graduellen Spinübergang mit einer Übergangstemperatur von 245 K auf, und auch die Mößbauer-Spektren belegen einen Spincrossover. Andererseits konnten auch die Verbindung 25a sowie der zugehörige zweikernige Komplex 26a synthetisiert werden. Der mononukleare Komplex weist in Lösung einen Spinübergang auf, im Feststoff befindet sich das Eisen(II)-Ion im low-spin-Zustand. Die dinukleare Verbindung liegt überwiegend im high-spin/high-spin-Zustand vor.
Bei dem vorgestellten Eisen(II)-Radikal-Komplex 28 handelt es sich um eine Eisen(II)-Verbindung mit dem monoanionischen pi-Radikal von Biacetyl-bis-methylimin als Coligand. Sowohl die Röntgenstrukturanalyse als auch die SQUID- und Mößbauer-Messungen weisen darauf hin, dass das Eisen(II)-Ion im intermediate-spin-Zustand (S = 1) vorliegt. Als Nebenprodukt wird bei der Synthese der high-spin-Eisen(II)-Komplex 29 gebildet, welcher einfach deprotoniertes Biacetyl-bis-methylimin als Coligand enthält. Die Ausgangsverbindung 27 weist einen graduellen Spinübergang mit einer Übergangstemperatur von 385 K auf. Durch die Deprotonierung wird die Ligandenfeldstärke des Coliganden also schwächer. Die Auswirkung der Reduktion auf die Ligandenfeldstärke ist schwieriger zu beurteilen. Durch das Hinzufügen eines Elektrons wird der Coligand ein besserer \(\sigma\)- und \(\pi\)-Donor, während seine \(\pi\)-Akzeptor-Eigenschaften abnehmen. Insgesamt ist die reduzierte Spezies vermutlich ein schwächerer Ligand als der Neutralligand.
Mit Komplex 30b konnte eine Eisen(III)-Verbindung mit einem intermediate-spin-Grundzustand synthetisiert und untersucht werden. Der intermediate-spin-Zustand des Eisen(III)-Ions wurde mit Hilfe von Röntgenstrukturanalysen, SQUID-Messungen und Mößbauer- sowie ESR-Spektroskopie belegt. Grund für die Stabilisierung des relativ seltenen, reinen intermediate-spin-Zustandes ist die durch den Tetraazamakrozyklus hervorgerufene tetragonale Verzerrung zusammen mit den guten \(\sigma\)- und \(\pi\)-Donor-Eigenschaften des Coliganden 1,2-Ethandithiolat. Dadurch wird eine relativ große Aufspaltung der ursprünglichen \(e_g\)-Orbitale des Eisen(III)-Ions bewirkt. Dies wiederum führt zum Vorliegen der Elektronenkonfiguration \( (d_{xy})^2(d_{xz}d_{yz})^2(d_{z^2})^1(d_{x^2-y^2})^0\).
Die vorliegende Dissertation zeigt, dass die verwendeten tetraazamakrozyklischen Liganden geeignete Liganden sind, sowohl um mit Eisen(II)- und Cobalt(II)-Ionen Spinübergänge zu verwirklichen, als auch um den seltenen intermediate-spin-Zustand in Eisen(III)-Komplexen zu stabilisieren. Wichtig ist auch die Erkenntnis, dass diese Makrozyklen eine starke tetragonale Verzerrung des oktaedrischen Ligandenfeldes hervorrufen, was die Beobachtung von Spincrossoverprozessen mit Cobalt(II)-Verbindungen sowie von intermediate-spin-Eisen(III)-Komplexen ermöglicht.
This thesis reports on investigations on the structure and reactivity of dipeptide-alkali metal complexes, a series of ruthenium bearing catalysts, dysprosium based single molecule magnets and organometallic di-cobalt complexes. A variety of experimental and theoretical methods was used dependent on the problem: collision induced dissociation, hydrogen/deuterium exchange reactions, gas phase reactions with \(D_2\), infrared multiple-photon dissociation and the determination of minimum energy structures, IR absorption spectra, transition states and electronic transitions based on density functional theory.
A case study was carried out to explore the influence of alkali metal ions on the gas phase structure of the dipeptide Carnosine. CID experiments on protonated Carnosine and its alkali metal complexes in an ion trap resulted in different fragment pathways dependent on the size of the alkali metal. The complexation of small ions (\(Li^+\) and \(Na^+\)) promoted the cleavage of bonds in the molecules backbone under CID, while \(Rb^+\)- and \(Cs^+\)-Carnosine complexes underwent the exclusive loss of the alkali metal. CID breakdown curves reflected the different binding behavior of the alkali ions to Carnosine. Gas phase H/D exchange reactions with \(D_2O\) resulted in the exchange of several protons of the protonated dipeptide, while its alkali metal complexes underwent no exchange reactions. DFT derived energetical minimum isomers exhibited only charge solvated tridentate structures, whereas salt bridge as well as charge solvated binding motives are reported in literature on complexes of alkali metal ions and oligopeptides. This study was published in a similar version as a paper in Zeitschrift für Physikalische Chemie.
A combination of the four dipeptides Carnosine, Anserine, GlyHis and HisGly with alkali metal ions was investigated with the help of CID, IR-MPD spectroscopy and H/D exchange reactions with \(ND_3\). The aim of the survey was to elucidate the influence of the methyl-group at the histidine ring, of the peptide sequence and chain length on the binding motives of the alkali ions. The experimental results were compared to DFT derived minimum energetical isomers. A moderate accordance was found for DFT predicted IR absorptions to IR-MPD spectra. A systematic nomenclature was developed reflecting all binding motives of the four dipeptides to alkali ions. Carnosine complexes all alkali metal ions in an uniform motive. DFT derived energetical minimum isomers of the three other dipeptides showed strong conformational changes with increasing size of the alkali ion. The most favored binding motive of all peptides was the tridentate complexation of the alkali ion by a carboxylic and an amidic oxygen atom, while the electron donating nitrogen atom either belongs to the Histidine ring or the amine group. The ability to form hydrogen bonds in a certain binding motive is essential for the preference of the Histidine or amine nitrogen atom as an electron donor. The charge solvated binding motive is the most common within all found isomers. Several structures exhibited hydrogen bonded protons. Those can be interpretated as intermediates between the charge solvated and the salt bridge binding motive. CID breakdown curves of the cationic complexes of the dipeptides with \(K^+\), \(Rb^+\) and \(Cs^+\) resulted in a fair agreement of \(E^{50\%}_{com}\) values with DFT derived Gibbs free binding energies. CID led to multiple fragments of the \(Li^+\) and \(Na^+\) dipeptide complexes and to an insufficient correlation between the \(E^{50\%}_{com}\) values and metal-dipeptide free binding enthalpies. Gas phase H/D exchange reactions of the protonated dipeptides with \(ND_3\) resulted in the exchange of all labile protons with comparable relative partial rate constants. The assumption of coexisting single and double exchange reactions per single collision led to an enhancement in quality of the pseudo first order kinetic fits of the experimental derived data. The \(Li^+\), \(Na^+\) and \(K^+\) complexes of the dipeptides exhibited a reduction in the number of exchanged protons, significantly lower rate constants for H/D exchange and only single exchange reactions.
The complexation of the doubly charged cationic transition metal \(Zn^{2+}\) by deprotonated Carnosine led to crucial conformational changes with respect to the alkali metal complexes. Former DFT calculations on the gas phase structure of \([Carn-H,Zn^{II}]^+\) were now compared to IR-MPD spectra. IR-MPD spectra exhibited several of the DFT predicted IR absorptions while the overall agreement in the position of bands is only partially satisfactory. The complex \([Carn-H,Zn^{II}]^+\) was furthermore used in order to study the band dependent enhancement of fragmentation efficiency by application of a resonant 2-color IR-MPD pump/probe scheme. In literature, it is assumed that the slopes of linear fits to the log-log scale of experimental data (fragmentation efficiency vs. laser pulse energy) correlate to the number of photons needed for fragmentation. No reasonable number of photons for the fragmentation of the molecule was derived with this approach. However, it could be shown that the number of photons of the pump laser needed for fragmentation is reduced by the use of a second IR color. The change of the delay between the pump and probe laser pulse had an influence on the shape of the absorption bands. Irradiation with the probe laser pulse before the pump laser caused a heating of the molecule which resulted in a broadening of bands. No broadening was observed when the probe laser was applied simultaneously or after the pump laser. CID and IR-MPD fragmentation channels differed in their relative abundance. Furthermore, relative abundancies of fragments were specific to the excited vibrational motions. This study provides essential approaches for the further study of the mechanism of resonant 2-color IR-MPD spectroscopy.
Several ruthenium catalysts for transfer hydrogenation reactions were synthesized by L. Ghoochany (research group W. Thiel, TU Kaiserlautern). CID measurements on isotopic labeled species led to the following conclusion about the activation process of the catalyst: a nitrogen-ruthenium bond is broken, the pyrimidine ring of the substituted 2-R-4-(2-pyridinyl)pyrimidine ligand rotates about 160° and a carbon-ruthenium bond is formed under subsequent loss of a HCl (or DCl) molecule. The mass spectrometers CID amplitude was calibrated with a set of “thermometer ions”. CID breakdown curves were used for determination of \(E^{50\%}_{com}\) values of three differently substituted catalysts. Finally, activation energies were estimated by means of the calibration. The resulting activation energies showed a qualitative correlation to DFT derived activation energies. These results are part of a manuscript which was submitted to Chemistry – A European Journal and is currently in the review process. Further studies on this series of transition metal complexes included CID on ligand exchanged species, 1- and 2-color IR-MPD spectroscopy, gas phase reactions with \(D_2\) and DFT based modeling of the reaction coordinate of the \(D_2\) insertion. The exchange of the anionic chlorido ligand in solution led to three complexes with different fragmentation thresholds. CID derived activation amplitudes correspond well to the order predicted by the hard/soft acids/bases (HSAB) concept. 1-color IR-MPD experiments on two complexes showed only a few bands. Resonant 2-color IR-MPD increased the overall fragmentation efficiency and uncovered several dark bands. DFT derived IR absorption spectra correlate well to IR-MPD spectra while some bands are still not observable. Gas phase reactions with \(D_2\) showed an increase of the mass of the activated complex of +4 m/z. This was interpreted in terms of an incorporation of a \(D_2\) molecule under heterolytical cleavage of the \(D_2\) molecule and can be compared to a back reaction of the activation. The reaction coordinate of the \(D_2\) incorporation was modeled with DFT at the B3LYP/cc-pVTZ level of theory and different activation energies were derived dependent on the substituent. Reactions of three differently substituted complexes with \(D_2\) resulted in different relative partial rate constants. The comparison to rate constants derived from transition state theory showed a qualitative but not quantitative correlation to the experimental results. This study contributes to our ongoing work on the assignment and isolation of reaction intermediates in the gas phase.
A series of dysprosium based complexes was synthesized by A. Bhunia (research group P. W. Roesky, KIT) and studied within the collaborative research center SFB/TRR 88 “3MET”. We contributed to this work with ESI-MS, CID and experiments on H/D exchange reactions with \(ND_3\) in the gas phase. Those complexes consist of a central triple-charged dysprosium cation and two identical salen-type ligands which allow for a complexation of up to two transition metals. The monometallic dysprosium complex shows single molecule magnet (SMM) behavior in SQUID measurements, while the incorporation of two double-charged manganese cations leads to ferromagnetic behavior. The interaction of terminal amine groups with the manganese ions caused a hinderance of the exchange H/D exchange reaction with \(ND_3\) in the gas phase. Alternatively, the terminal amine groups of the monometallic dysprosium complex allow for the bond of two \(Ni^{2+}(tren)\) complexes. ESI-MS studies showed anionic as well as cationic complexes due to deprotonation or protonation in solution. CID studies led to fragmentation schemes which correlate quite well to the predicted structures of the complexes. These results are part of two publications in Inorganic Chemistry and Dalton Transactions. Further studies on this series of mono-, di- and trimetallic complexes are reported in this thesis. H/D exchange reactions with \(D_2O\) in solution yielded in an exchange of all labile protons for the cationic complexes. Anionic complexes underwent a partial or a complete exchange of labile protons. A comparison of 1- and 2-color IR-MPD spectra of anionic and cationic complexes as well as H/D exchanged species allowed for the assignment of vibrational bands. Furthermore, preferred protonation sites were derived by comparing the results of IR-MPD experiments and H/D exchange reactions in solution and in the gas phase. This study contributes to our ongoing work on the determination of magnetic properties of isolated ions in the gas phase at the Helmholtz-Zentrum Berlin.
The complex \([(^4CpCo)_2(\mu-C_2Ph_2)]\) (\(^4Cp\) = tetraisopropyl-cyclopentadiene) was synthesized by J. Becker (research group H. Sitzmann, TU Kaiserslautern). The cationic complex and several reaction products were characterized by ESI-MS. Some of the experimental data contributed to the diploma thesis of J. Becker. The cationic reaction products and the complex itself were subject of IR spectroscopic characterization. IR-MPD efficiency changed crucially with modification of the complex, yielding \([(^4CpCo)_2(\mu-C_2Ph_2)X]^+ (X=H, (H+CH_3CN), Cl, O)\). The contribution of various fragmentation channels to the overall fragmentation efficiency was studied in detail. An increase of photon flux resulted in a saturation of preferred \(C_2Ph_2\) loss, additional alkyl fragments out of the \(^4Cp\) rings arising. Several absorption bands were found in the mid- and near-IR region. A model system from literature was used to identify seemingly levels of DFT theory by reference to X-ray crystal structure data. The B3LYP and the B97D functional with cc-pVDZ and Stuttgart 1997 ECP basis sets were identified for calculations of the complex \([(^4CpCo)_2(\mu-C_2Ph_2)]^+\) and of its reaction products. An elongation of the Co-Co bond distance was observed for the cationic reaction products with \(Cl^-\) and \(O^{2-}\). Calculations with B3LYP and B97D resulted in different electronic ground states. We did not obtain a good agreement of calculated vibrational modes and recorded IR-MPD spectra. DFT predicted more absorption bands than observed, especially those corresponding to aliphatic symmetric \(CH_n (n=2, 3)\) and aromatic CH stretch motions. Future 2-color IR-MPD experiments might resolve currently prevailing discrepancies. TD-DFT calculations yielded several electronic transitions that do not correspond to the IR-MPD spectra. The chosen levels of theory for DFT and TD-DFT calculations does not seem to be appropriate. IR-MPD spectra have to be remeasured in order to normalize the spectra to photon flux. Furthermore, a different strategy has to be developed for ab initio calculations on the complexes under study.
A combination of various methods applied to isolated ions in the gas phase and in solution allowed for the study of their structure, binding energies and reactivity. 1- and 2-color IR-MPD spectroscopy combined with DFT predicted absorption spectra of different isomers enabled an assignment of vibrational bands and binding motives of the molecules. The derived results are important for further studies on the binding behavior of peptides and the reaction behavior of metal complexes.
Factorization of multivariate polynomials is a cornerstone of many applications in computer algebra. To compute it, one uses an algorithm by Zassenhaus who used it in 1969 to factorize univariate polynomials over \(\mathbb{Z}\). Later Musser generalized it to the multivariate case. Subsequently, the algorithm was refined and improved.
In this work every step of the algorithm is described as well as the problems that arise in these steps.
In doing so, we restrict to the coefficient domains \(\mathbb{F}_{q}\), \(\mathbb{Z}\), and \(\mathbb{Q}(\alpha)\) while focussing on a fast implementation. The author has implemented almost all algorithms mentioned in this work in the C++ library factory which is part of the computer algebra system Singular.
Besides, a new bound on the coefficients of a factor of a multivariate polynomial over \(\mathbb{Q}(\alpha)\) is proven which does not require \(\alpha\) to be an algebraic integer. This bound is used to compute Hensel lifting and recombination of factors in a modular fashion. Furthermore, several sub-steps are improved.
Finally, an overview on the capability of the implementation is given which includes benchmark examples as well as random generated input which is supposed to give an impression of the average performance.
The application behind the subject of this thesis are multiscale simulations on highly heterogeneous particle-reinforced composites with large jumps in their material coefficients. Such simulations are used, e.g., for the prediction of elastic properties. As the underlying microstructures have very complex geometries, a discretization by means of finite elements typically involves very fine resolved meshes. The latter results in discretized linear systems of more than \(10^8\) unknowns which need to be solved efficiently. However, the variation of the material coefficients even on very small scales reveals the failure of most available methods when solving the arising linear systems. While for scalar elliptic problems of multiscale character, robust domain decomposition methods are developed, their extension and application to 3D elasticity problems needs to be further established.
The focus of the thesis lies in the development and analysis of robust overlapping domain decomposition methods for multiscale problems in linear elasticity. The method combines corrections on local subdomains with a global correction on a coarser grid. As the robustness of the overall method is mainly determined by how well small scale features of the solution can be captured on the coarser grid levels, robust multiscale coarsening strategies need to be developed which properly transfer information between fine and coarse grids.
We carry out a detailed and novel analysis of two-level overlapping domain decomposition methods for the elasticity problems. The study also provides a concept for the construction of multiscale coarsening strategies to robustly solve the discretized linear systems, i.e. with iteration numbers independent of variations in the Young's modulus and the Poisson ratio of the underlying composite. The theory also captures anisotropic elasticity problems and allows applications to multi-phase elastic materials with non-isotropic constituents in two and three spatial dimensions.
Moreover, we develop and construct new multiscale coarsening strategies and show why they should be preferred over standard ones on several model problems. In a parallel implementation (MPI) of the developed methods, we present applications to real composites and robustly solve discretized systems of more than \(200\) million unknowns.
This thesis deals with generalized inverses, multivariate polynomial interpolation and approximation of scattered data. Moreover, it covers the lifting scheme, which basically links the aforementioned topics. For instance, determining filters for the lifting scheme is connected to multivariate polynomial interpolation. More precisely, sets of interpolation sites are required that can be interpolated by a unique polynomial of a certain degree. In this thesis a new class of such sets is introduced and elements from this class are used to construct new and computationally more efficient filters for the lifting scheme.
Furthermore, a method to approximate multidimensional scattered data is introduced which is based on the lifting scheme. A major task in this method is to solve an ordinary linear least squares problem which possesses a special structure. Exploiting this structure yields better approximations and therefore this particular least squares problem is analyzed in detail. This leads to a characterization of special generalized inverses with partially prescribed image spaces.
Modellgetriebene Entwicklung von Kommunikationsprotokollen für drahtlos vernetzte Regelungssysteme
(2013)
Funkvernetzte Sensorsysteme sind heutzutage allgegenwärtig.
Sie werden sowohl in Rauchmeldern, in Raumtemperaturüberwachungen und Sicherheitssystemen eingesetzt.
Das Sensorsystem soll seine Aufgabe zuverlässig und über viele Jahre ohne Batteriewechsel erfüllen.
Durch die Vernetzung der Sensorsysteme und ihre immer komplexer werdenden Aufgaben wird die Programmierung in einer maschinennahen Sprache immer aufwändiger.
Die modellgetriebene Entwicklung erhöht die Wartbarkeit und reduziert die Entwicklungszeit wodurch im Allgemeinen die Produktqualität steigt.
In Folge der höheren Komplexität, der Abstraktion von der konkreten Hardwareplattform und den immer kürzere Produktentwicklungszeiten bleibt oft keine Zeit für Energieoptimierung, wodurch die Batterielaufzeit geringer ausfällt, als dies möglich wäre.
In dieser Arbeit werden verschiedene Ansätze vorgestellt, die es ermöglichen, bereits während der Modellierung den Stromverbrauch zu berücksichtigen und diesen zu optimieren.
Am Beispiel des inversen Pendels, einem sehr instabilen Regelungssystem, wird dazu mit Hilfe der modellgetriebenen Entwicklung eine funkvernetzte, verteilte Regelung spezifiziert.
Der aus der Spezifikation erzeugte Kode wird direkt auf den Sensorknoten ausgeführt und muß dazu performant und zuverlässig sein, um die Echtzeitanforderungen des Regelungssystems zu erfüllen, aber gleichzeitig so wenig Energie wie möglich zu verbrauchen.
m die Zuverlässigkeit der verteilten Regelung zu gewährleisten ist eine deterministische kollisionsfreie Datenübertragung über das drahtlose Kommunikationsmedium erforderlich.
Die Synchronisation ist eine weitere Voraussetzung zur Ermittlung eines konsistenten Systemzustands.
There is growing international concern about the necessity to re-think the university so that it might remain relevant in a modern society. In the traditional task division at universities, knowledge is the main resource. Universities make use of both the cognitive and the informational approach. It was expected that universities use each approach to improve overall university performance. To effectively use the informational approach, universities should apply the tools from knowledge management. To effectively use the cognitive approach, universities must update their teaching-learning strategies to incorporate some of the recent advances in neuroscience and biology of knowledge, specifically from neurobiology and autopoiesis. With this frame, the main contribution of this work is the result of merging pedagogy and biology, towards an ideal future university. This goal was achieved through an exploratory study conducted to identify opportunities and difficulties in improving the teaching-learning process for the future of higher education in Honduras. The Delphi Study was used as a predictive method. Nineteen Honduran experts participated in this study, and two rounds were necessary to achieve consensus.
The multi-disciplinary approach of this research addresses three different fields whose core element is knowledge. First, input from the present field of higher education is used to speak about the future. Second, input is taken from the biology of knowledge, and its contributions from neurobiology and autopoiesis that allow modifying and completing the already existing learning theories with a biological basis. Third, input is taken from the knowledge process, which is traditionally used as an organizational tool and know is translated to the individual level. The exploration shows that experts are concerned about all the missions and responsibilities of universities, but they agree that changes should primarily take place in the teaching dimension. Even though they are not aware of the possible contributions of biology, they suggest new forms of teaching that more favor skills development, promotes values, pertinent knowledge, and personal development over short-term contents. The resulting BRAIN Model encompasses the ideal future of higher education regarding teaching and learning, according to experts’ answers. It provides a useful guide that any reform in teaching should take into account for a holistic, integral, and therefore more efficient learning task.
Palladium-Catalyzed C–C Bond Formations via Activation of Carboxylic Acids and Their Derivatives
(2013)
Applications of carboxylic acids and their derivatives in transition metal-catalyzed cross-coupling reactions regio-selectively forming Csp3-Csp2, and Csp2-Csp2 bonds were explored in this thesis. Several important organic building blocks such as aryl acetates, diaryl acetates, imines, ketones, biaryls, styrenes and polysubstituted alkenes were successfully accessed from carboxylic acids and their derivatives by the means of C–H activation and decarboxylative cross-couplings.
An efficient and practical protocol for the synthesis of biologically important ethyl 2-arylacates through the dealkoxycarbonlative cross-coupling reaction between aryl halides and malonates was developed. Activation of the alpha-proton of alkyl esters by a copper catalyst allowed the deprotonation of esters even in the presence of mild bases, leading to a straightforward and efficient approach to alkyl alpha-diarylacetate from simple alkyl acetates and aryl halides.
The addition of a primary amine into the coupling reaction of alpha-oxocarboxylic acids and aryl halides led to an unprecedented low-temperature redox-neutral decarboxylative coupling process, providing a green and efficient method for the preparation of azomethines, in which all the three substituents can be independently varied. A minor modification of this protocol allowed us to easily access the corresponding ketones.
The decarboxylative coupling of robust aryl mesylates as well as polysubstituted alkenyl mesylates using our customized imidazolyl phosphine ligands was realized, further expanding the scope of carbon electrophiles in decarboxylative coupling reactions. Variation of the ligands led to two complementary protocols, providing the corresponding biaryls and polysubstituted olefins in high yields.
The use of a new class of pyrimidinyl phosphine ligands dramatically reduced the reaction temperatures of decarboxylative cross-coupling reactions between aromatic carboxylic acids and aryl or alkenyl triflates. The new catalyst system for the first time allowed the efficient decarboxylative biaryls synthesis at only 100 °C, representing a significant achievement in redox-neutral decarboxylative coupling reactions.
Hydrogels are known to be covalently or ionic cross-linked, hydrophilic three-dimensional
polymer networks, which exist in our bodies in a biological gel form such as the vitreous
humour that fills the interior of the eyes. Poly(N-isopropylacrylamide) (poly(NIPAAm))
hydrogels are attracting more interest in biomedical applications because, besides others, they
exhibit a well-defined lower critical solution temperature (LCST) in water, around 31–34°C,
which is close to the body temperature. This is considered to be of great interest in drug
delivery, cell encapsulation, and tissue engineering applications. In this work, the
poly(NIPAAm) hydrogel is synthesized by free radical polymerization. Hydrogel properties
and the dimensional changes accompanied with the volume phase transition of the
thermosensitive poly(NIPAAm) hydrogel were investigated in terms of Raman spectra,
swelling ratio, and hydration. The thermal swelling/deswelling changes that occur at different
equilibrium temperatures and different solutions (phenol, ethanol, propanol, and sodium
chloride) based on Raman spectrum were investigated. In addition, Raman spectroscopy has
been employed to evaluate the diffusion aspects of bovine serum albumin (BSA) and phenol
through the poly(NIPAAm) network. The determination of the mutual diffusion coefficient,
\(D_{mut}\) for hydrogels/solvent system was achieved successfully using Raman spectroscopy at
different solute concentrations. Moreover, the mechanical properties of the hydrogel, which
were investigated by uniaxial compression tests, were used to characterize the hydrogel and to
determine the collective diffusion coefficient through the hydrogel. The solute release coupled
with shrinking of the hydrogel particles was modelled with a bi-dimensional diffusion model
with moving boundary conditions. The influence of the variable diffusion coefficient is
observed and leads to a better description of the kinetic curve in the case of important
deformation around the LCST. A good accordance between experimental and calculated data
was obtained.
Data integration aims at providing uniform access to heterogeneous data, managed by distributed source systems. Data sources can range from legacy systems, databases, and enterprise applications to web-scale data management systems. The materialized approach to data integration, extracts data from the sources, transforms and consolidates the data, and loads it into an integration system, where it is persistently stored and can be queried and analyzed.
To support materialized data integration, so called Extract-Transform-Load (ETL) systems have been built and are widely used to populate data warehouses today. While ETL is considered state-of-the-art in enterprise data warehousing, a new paradigm known as MapReduce has recently gained popularity for web-scale data transformations, such as web indexing or page rank computation.
The input data of both, ETL and MapReduce programs keeps changing over time, while business transactions are processed or the web is crawled, for instance. Hence, the results of ETL and MapReduce programs get stale and need to be recomputed from time to time. Recurrent computations over changing input data can be performed in two ways. The result may either be recomputed from scratch or recomputed in an incremental fashion. The idea behind the latter approach is to update the existing result in response to incremental changes in the input data. This is typically more efficient than the full recomputation approach, because reprocessing unchanged portions of the input data can often be avoided.
Incremental recomputation techniques have been studied by the database research community mainly in the context of the maintenance of materialized views and have been adopted by all major commercial database systems today. However, neither today's ETL tools nor MapReduce support incremental recomputation techniques. The situation of ETL and MapReduce programmers nowadays is thus much comparable to the situation of database programmers in the early 1990s. This thesis makes an effort to transfer incremental recomputation techniques into the ETL and MapReduce environments. This poses interesting research challenges, because these environments differ fundamentally from the relational world with regard to query and programming models, change data capture, transactional guarantees and consistency models. However, as this thesis will show, incremental recomputations are feasible in ETL and MapReduce and may lead to considerable efficiency improvements.
Ein werkstoffgerechter und wirtschaftlicher Einsatz von ultrahochfestem Beton (UHPC) erfordert hybride Konstruktionen mit minimierten Querschnitten. Hierfür bieten sich Verbundträger, bestehend aus Stahlprofilen geringer Blechdicke und Betongurten von wenigen Zentimetern Plattenstärke an, deren Einsatzgebiet im Hochbau als filigrane Fassadenplatten oder tragende Hohlwände mit integrierter Haustechnik liegen kann. Besonderes Augenmerk ist bei derartigen Verbundkonstruktionen auf die Ausbildung und die Leistungsfähigkeit der Verbundfuge zu legen. Aufgrund der reduzierten Betongurtdicke ist eine Anwendung von konventionellen Verbundmitteln nicht möglich. Daher wurde ein neuartiges Verbundmittel durch das Anordnen von rechteckförmigen Stahlzähnen an der Blechoberkante entwickelt, welche an ihrer Spitze um 90° verdreht werden. Die Trag- und Verformungsfähigkeit dieser sogenannten "Stahlschare" wurde in dem von der DFG geförderten Projekt Schn 771/5-1 im Zuge des DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1182 untersucht und ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit.
Der Verdrehvorgang und die daraus resultierenden Dehnungen wurden mittels einer optischen Messung sowie FE-Simulation analysiert und zur weiteren Beurteilung der Längsschubtragfähigkeit herangezogen. Hierfür wurden 6 Push-out-Versuchsserien mit 38 Einzelversuchen mit verschiedenen Parametervariationen durchgeführt und ausgewertet. Zusammen mit den Ergebnissen von entsprechenden FE-Modellen und theoretischen Überlegungen wurde ein Bemessungskonzept für Längsschub entwickelt. Dieses beinhaltet die Versagensarten Längsaufreißen des Betongurts, Betonausbruch sowie Stahlversagen durch Abscheren der Schare. Die vorgeschlagenen Widerstandsmodelle wurden zudem einer statistischen Auswertung gemäß Eurocode 0 unterzogen. Abschließend wurde das Zugtragverhalten in Pull-out-Versuchen sowie das Verhalten in großmaßstäblichen Verbundträgern mit unterschiedlichen Verdübelungsgraden geprüft.
Pflanzenkläranlagen (PKA) sind ein naturnahes Verfahren der Abwasserreinigung, das aufgrund seines im Vergleich zu technischen Kläranlagen geringen Wartungs- und Energieaufwands, der guten Einbindung in die Landschaft und der höheren Reinigungsleistung als konventionelle Teichkläranlagen vorwiegend im ländlichen Raum zum Einsatz kommt.
Gemäß den allgemein anerkannten Regeln der Technik beschränkt sich die Anwendung jedoch auf im Trennsystem entwässerte Einzugsgebiete und den Einsatz von fluviatilen Rundkornsanden als Filtersubstrat. Im Süden und Südwesten Deutschlands überwiegt allerdings das Mischsystem, sodass verfahrenstechnische Lösungen in der Abwasserreinigung die Mischkanalisation als Voraussetzung haben. Im Zuge der Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL) sind Immissionsbetrachtungen im Hinblick auf den guten chemischen Zustand des Gewässers als Grundlage für den guten ökologischen Zustand erforderlich. Dezentrale Kläranlagen an abflussschwachen Gewässern müssen häufig verschärfte Anforderungen an den Ablauf, insbesondere im Hinblick auf die Nitrifikationsleistung, einhalten. Ziel dieser Arbeit ist die Überprüfung der Eignung von Pflanzenkläranlagen im Mischsystem im Allgemeinen und von Lavasand als Filtersubstrat im Besonderen zur Erfüllung dieser Anforderungen.
Der für Lavasand-Anlagen entwickelte Bemessungsansatz des Entsorgungsverbandes Saar (EVS) sowie die zugehörigen Planungs- und Betriebsvorgaben wurden im großtechnischen Maßstab an zehn kommunalen Kläranlagen mit Ausbaugrößen von 70 bis 600 EW überprüft. Neben einer reinen Verifizierung des Konzepts im Sinne eines Nachweises der Reinigungsleistung wurde versucht, auf der Kläranlage Büschdorf die Belastungsgrenzen des Systems und insbesondere der alternierend und intermittierend betriebenen Hauptbodenfilter (HBF) zu ermitteln. Ergebnis dieser Untersuchungen auf der Kläranlage Büschdorf war, dass der dort als Filtersubstrat eingesetzte Lavasand über ein Jahr mit maximalen hydraulischen Flächenbelastungen von mehr als 220 l/(m2*d) beaufschlagt werden kann, ohne dass es zu Kolmationserscheinungen oder einem Einbruch der Reinigungsleistung kommt.
Darüber hinaus wurde die Leistungsfähigkeit von Lavasanden aus verschiedenen Steinbrüchen mit unterschiedlichen Eigenschaften auf der Kläranlage Riesweiler untersucht. Es zeigte sich, dass das Filtermaterial mit der größten Porosität, der größten spezifischen Oberfläche, der geringsten Durchlässigkeit und der höchsten Kationenaustauschkapazität die besten Ergebnisse im Hinblick auf die Elimination von Kohlenstoff- und Phosphorverbindungen sowie Ammoniumstickstoff erzielt. Im Zusammenhang mit dem CSB-Abbau und der Nitrifikationsleistung sind aerobe Verhältnisse im Filterkörper notwendig, was durch einen intermittierenden Betrieb der Bodenfilter sichergestellt wird. Dieser Sachverhalt wurde mit Redoxpotenzialmessungen und Beprobungen von Versuchsphasen mit dem Filter im Normal- und Einstaubetrieb nachgewiesen. Gemäß den Ergebnissen dieser Arbeit sind Lavasande als Filtersubstrat im Vergleich zu fluviatilen Rundkornsanden bei höherer hydraulischer Belastung, insbesondere bezogen auf den Ammoniumstickstoffabbau, leistungsfähiger.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass substrateigenschaftsabhängige Bemessungs-vorgaben notwendig und sinnvoll sind. Hier besteht weiterer Forschungsbedarf.