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This work presents a framework for the computation of complex geometries containing intersections of multiple patches with Reissner-Mindlin shell elements. The main objective is to provide an isogeometric finite element implementation which neither requires drilling rotation stabilization, nor user interaction to quantify the number of rotational degrees of freedom for every node. For this purpose, the following set of methods is presented. Control points with corresponding physical location are assigned to one common node for the finite element solution. A nodal basis system in every control point is defined, which ensures an exact interpolation of the director vector throughout the whole domain. A distinction criterion for the automatic quantification of rotational degrees of freedom for every node is presented. An isogeometric Reissner-Mindlin shell formulation is enhanced to handle geometries with kinks and allowing for arbitrary intersections of patches. The parametrization of adjacent patches along the interface has to be conforming. The shell formulation is derived from the continuum theory and uses a rotational update scheme for the current director vector. The nonlinear kinematic allows the computation of large deformations and large rotations. Two concepts for the description of rotations are presented. The first one uses an interpolation which is commonly used in standard Lagrange-based shell element formulations. The second scheme uses a more elaborate concept proposed by the authors in prior work, which increases the accuracy for arbitrary curved geometries. Numerical examples show the high accuracy and robustness of both concepts. The applicability of the proposed framework is demonstrated.
Obwohl das Zufußgehen die natürliche Fortbewegungsform des Menschen darstellt, spielte diese Mobilitätsform ab der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts eine zunehmend schwindende Rolle in der politischen Wahrnehmung und der Stadt- und Verkehrsplanung. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wird im Zuge eines Paradigmenwechsel der Fußverkehr wieder von der Politik, der Planungspraxis aber auch von der Immobilienwirtschaft als ein wichtiger Baustein für eine nachhaltige Stadt- und Quartiersentwicklung angesehen. Hierbei wird der Nahmobilität, d.h. der fußläufigen Erreichbarkeit alltagsrelevanter Aktivitätsziele, eine wichtige Rolle beigemessen. Aus verkehrswissenschaftlicher Sicht bleibt bislang die Frage unbeantwortet, inwiefern das theoretische Konstrukt „Nahmobilität“ objektiv ermittelt werden kann. Aus immobilienwirtschaftlicher Sicht ist der Einfluss der Nahmobilität auf die Immobilienpreise von Wohnungen und Häusern in verschiedenen siedlungsstrukturellen Raumtypen von Interesse. Für die theoretische Konzeption eines Nahmobilitätsindikators werden nationale und international empirische Studien zum Fußgängerverhalten sowie Bewohner-, Makler- und Expertenbefragungen ausgewertet. Die praktische Umsetzung des Nahmobilitätsindikators erfolgt mithilfe eines Geographischen Informationssystems für die Städte Frankfurt, Köln und Wiesbaden. Damit können Bereiche mit einem hohen oder niedrigen Nahmobilitätspotential differenziert werden. Ergänzend wird eine Sozialraumanalyse zur Ableitung von vier siedlungsstrukturellen Raumtypen durchgeführt. Aus der Kombination von drei Nahmobilitätsniveau und vier Raumtypen können zwölf Gebietstypen abgeleitet werden, um den Einfluss der Nahmobilität auf Immobilienpreise differenziert analysieren zu können. Nach Herleitung des Angebotspreisfestsetzungsprozesses wird die ökonometrische Analyse mit dem Spatial Durbin Modell (SDM) und dem Ordinary Least Squares Modell (OLS-Modell) auf Stadtteil- und Stadtviertelebene durchgeführt. Die als ebenfalls relevant erachtete geografisch gewichtete Regression (GWR) wird aufgrund räumlicher Autokorrelation der Variablen nicht durchgeführt. Das SDM-Modell hat bei Wohnungen zum Ergebnis, dass Haushalte allgemein Standorte mit einem mittleren Nahmobilitätsniveau vorziehen, da an Standorten mit hohen Nahmobilitätswerten negative externe Effekte (z.B. Lärm) auftreten können. In urbanen Räumen werden niedrige Nahmobilitätswerte als Malus in suburbanen Räumen dagegen als Bonus angesehen. Beide Ergebnisse werden auf Basis von Bewohnerbefragungen plausibilisiert. Bei Häusern führen die ökonometrischen Analysen auf Stadtteil- und Stadtviertelebene zu gegensätzlichen Ergebnissen. Dies wird auf das Problem der veränderbaren Gebietseinheit zurückgeführt. Da auf Stadtviertelebene Gebietsabgrenzungen präziser möglich sind, werden diese als glaubwürdiger angesehen. Damit verbunden ist kein Einfluss der Nahmobilität auf Hauspreise festzustellen. Die Residuen des OLS-Modells weisen erwartungsgemäß eine räumliche Autokorrelation auf, weshalb die Schätzer nur bedingt interpretierbar sind.
Embedded systems, ranging from very simple systems up to complex controllers, may
nowadays have quite challenging real-time requirements. Many embedded systems are reactive
systems that have to respond to environmental events and have to guarantee certain real-time
constrain. Their execution is usually divided into reaction steps, where in each step, the
system reads inputs from the environment and reacts to these by computing corresponding
outputs.
The synchronous Model of Computation (MoC) has proven to be well-suited for the
development of reactive real-time embedded systems whose paradigm directly reflects the
reactive nature of the systems it describes. Another advantage is the availability of formal
verification by model checking as a result of the deterministic execution based on a formal
semantics. Nevertheless, the increasing complexity of embedded systems requires to compensate
the natural disadvantages of model checking that suffers from the well-known state-space
explosion problem. It is therefore natural to try to integrate other verification methods with
the already established techniques. Hence, improvements to encounter these problems are
required, e.g., appropriate decomposition techniques, which encounter the disadvantages
of the model checking approach naturally. But defining decomposition techniques for synchronous
language is a difficult task, as a result of the inherent parallelism emerging from
the synchronous broadcast communication.
Inspired by the progress in the field of desynchronization of synchronous systems by
representing them in other MoCs, this work will investigate the possibility of adapting and use
methods and tools designed for other MoC for the verification of systems represented in the
synchronous MoC. Therefore, this work introduces the interactive verification of synchronous
systems based on the basic foundation of formal verification for sequential programs – the
Hoare calculus. Due to the different models of computation several problems have to be
solved. In particular due to the large amount of concurrency, several parts of the program
are active at the same point of time. In contrast to sequential programs, a decomposition
in the Hoare-logic style that is in some sense a symbolic execution from one control flow
location to another one requires the consideration of several flows here. Therefore, different
approaches for the interactive verification of synchronous systems are presented.
Additionally, the representation of synchronous systems by other MoCs and the influence
of the representation on the verification task by differently embedding synchronous system
in a single verification tool are elaborated.
The feasibility is shown by integration of the presented approach with the established
model checking methods by implementing the AIFProver on top of the Averest system.
We consider the problem of finding efficient locations of surveillance cameras, where we distinguish
between two different problems. In the first, the whole area must be monitored and the number of cameras
should be as small as possible. In the second, the goal is to maximize the monitored area for a fixed number of
cameras. In both of these problems, restrictions on the ability of the cameras, like limited depth of view or range
of vision are taken into account. We present solution approaches for these problems and report on results of
their implementations applied to an authentic problem. We also consider a bicriteria problem with two objectives:
maximizing the monitored area and minimizing the number of cameras, and solve it for our study case.
Gegenwärtig stellen die hohen Stückkosten das wesentliche Hemmnis für die Marktdurchdringung
endlosfaserverstärkter Bauteile dar. Das umfassende Ziel dieser
Arbeit war daher die Senkung der Prozesskosten durch die Steigerung der Prozessgeschwindigkeit.
Ansatzpunkt bildete der zeitintensive Imprägnierungsvorgang, welcher
durch die Verwendung einer in orthogonaler und planarer Richtung ablaufenden
2D-Imprägnierung optimiert wurde.
In der Analysephase wurden grundlegende Untersuchungen mit einer semi-kontinuierlich
arbeitenden Intervallheißpresse durchgeführt. Dabei zeigten sich komplexe
Wechselwirkungen zwischen inhomogenen Temperatureinstellungen, vorliegender
Druckverteilung, planarem Fließverhalten des Polymers und der resultierenden Imprägnierungsqualität.
Als vorteilhafte Prozessbedingung wurden Polymerfließvorgänge
in Richtung der offenen seitlichen und vorderen Werkzeugkante identifiziert,
welche durch die bei höheren Randtemperaturen vorliegende Druckverteilung begünstigt
werden. Mit einem eigens dafür entwickelten Presswerkzeug ist die prinzipielle
Vorteilhaftigkeit einer Kombination aus orthogonalem und planarem Polymerfließen
auf die Imprägnierungsgeschwindigkeit nachgewiesen worden. Die durchgeführte
Parameterstudie verdeutlicht das Potential durch die Verkürzung der Imprägnierungsdauer
um 33 %. Bei der Analyse der Druckprofile ist für den Übergangsbereich
von der Heiz- zur Kühlzone ein signifikanter Druckabfall festgestellt worden. Um
die dadurch bedingte Dekonsolidierung während der Solidifikation zu verhindern,
wurde ein an das Schwindungsverhalten des Laminats angepasstes Werkzeugdesign
für den Übergangsbereich entwickelt. Dadurch konnte die Reduktion des applizierten
Prozessdrucks verhindert und die Verschlechterung der Organoblechqualität
während der Abkühlung ausgeschlossen werden. Für die Modellierung des
Imprägnierungsvorgangs wurde das B-Faktor-Modell von Mayer durch die Integration
der vom Verarbeitungsdruck abhängigen Sättigungspermeabilität erweitert. Dadurch
wird die Abbildung von Prozessen mit nicht konstantem Prozessdruck ermöglicht.
Die Ergebnisse der Arbeit bilden die Grundlage für die effektive Prozessgestaltung
durch ein materialspezifisches Anlagendesign und die Wahl vorteilhafter Prozessparameter
von der Einzel- bis zur Serienproduktion.
Bei der Herstellung hochbelasteter Strukturbauteile aus Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) wird verbreitet auf textile Halbzeuge wie Gewebe oder vernähte Biaxial-Gelege zurückgegrif-fen. Diese Halbzeuge zeigen im Verbund mit Kunststoffen periodische out-of-plane Roving-welligkeiten. Die Größe der Welligkeiten hängt unter anderem von den Fertigungsparametern der trockenen Halbzeuge ab. Durch das Verständnis der effektiven Kausalitäten zwischen Rovingwelligkeiten und mechanischem Verhalten soll eine bessere rechnerische Abschätzung der Materialkennwerte erzielt werden.
In dieser Arbeit wurde unter anderem der Einfluss der Welligkeitsparameter Amplitude und Wellenlänge auf die faserparallelen Kennwerte an unidirektional verstärkten Proben unter-sucht. Dafür wurden gezielt unterschiedliche Amplituden und Wellenlängen mit Hilfe von unidirektionalen Geweben in die Probekörper eingebracht. Der Einfluss der Rovingwelligkei-ten auf die Steifigkeiten war kleiner als auf die Festigkeiten. Bei Letzten war zu beobachten, dass die Druckfestigkeiten mehr von den Ondulationen beeinflusst wurden als die Zugfestig-keiten. Außerdem wurden die Welligkeiten und die mechanischen Kennwerte von textilen FKV-Geweben und -Gelegen bestimmt. Bei der Auswahl der untersuchten Halbzeuge war ein wichtiges Kriterium, dass diese auch in der Praxis Anwendung finden.
Im nächsten Schritt wurde ein vereinfachtes Finite-Elemente-Welligkeitsmodell entwickelt, welches es ermöglicht, die faserparallelen Kennwerte ohne zeit- und kostenintensive Materi-alversuche zu bestimmen. Speziell für Gewebe-Materialien mit großen Rovingwelligkeiten ist dieses Modell in der Lage, deutlich bessere Abschätzungen als vorhandene Methoden zu ge-ben. Weiterhin wurde auf dieser Basis ein Regressionsmodell für unidirektional verstärkte Materialien abgeleitet, welches auch dem Konstrukteur ohne Erfahrungen im Umgang mit Finiten-Elemente-Programmen die Anwendung des Welligkeitsmodells ermöglicht.
Der Vorteil des entwickelten Welligkeitsmodells wurde in einem dreistufigen Validierungs-programm nachgewiesen. Dieses beinhaltet den Übergang auf multidirektionale Laminate sowie komplexere Bauteilgeometrien. Die verbesserte Prognose mit Hilfe des Welligkeitsmo-dells zeigte sich vor allem bei Materialien mit großen Rovingwelligkeiten und bei Bauteilen die aufgrund eines Faserbruchs durch eine Druckbelastung versagten.
Einfluss verschiedener Angussszenarien auf den Harzinjektionsprozess und dessen simulative Abbildung
(2014)
Die Herstellung von hochleistungs Kunststoff Verbunden für Strukturbauteile erfolgt
in der Automobilindustrie mittels Resin Transfer Molding (RTM), wobei die Kosten für
die Bauteile sehr hoch sind. Die Kosten müssen durch Prozessoptimierungen deutlich
reduziert werden, um eine breite Anwendung von faserverstärkten Kunststoff
Verbunde zu ermöglichen. Prozesssimulationen spielen hierbei eine entscheidende
Rolle, da zeitaufwendige und kostspielige Praxisversuche ersetzt werden können.
Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit die Potentiale der simulativen Abbbildung
des RTM-Prozesses untersucht. Basis der Simulationen bildete eine umfangreiche
Materialparameterstudie bei der die Permeabilität, von für die Automobilindustrie relevanten
Textilhalbzeugen im ungescherten und gescherten Zustand, untersucht
wurde. Somit konnte der Einfluss von Drapierung bei der Fließsimulation evaluiert
werden. Zudem wurde eine neue Methode zur Ermittlung der zeit-, vernetzungs- und
temperaturabhängigen Viskositätsverläufe von hochreaktiven Harzsystemen entwickelt
und angewendet. Die Fließsimulationsmethode wurde zunächst erfolgreich an
einem ebenen Plattenwerkzeug validiert, um zu zeigen, dass die ermittelten Materialparameter
korrekt bestimmt wurden.
Zur Validierung der Simulation wurde ein komplexes Technologieträgerwerkzeug
(TTW) entwickelt. Die Auslegung der Temperierung wurde mittels Temperiersimulationen
unterstützt. Untersuchungen an markanten Kantenbereichen, wie sie bei Automobilbauteilen
häufig auftreten, haben gezeigt, dass bei Kantenradien < 5 mm ein
Voreilen des Harzsystem zu beachten ist. Zudem konnte mittels verschiedener Angussleisten,
der Einfluss verschiedener Angussszenarien untersucht werden.
Mit Hilfe von Sensoren im TTW wurden die Prozessdaten protokolliert und anschließend
mit den Simulationen verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die simulative
Abbildung des Füllprozesses bei einem komplexen RTM-Werkzeug, trotz einer Vielzahl
an Prozesseinflüssen, möglich ist. Die Abweichungen zwischen der Simulation
und dem Versuch lagen teilweise unter 15 %. Die Belastbarkeit der ermittelten Permeabilitäts-
und Viskositätswerte wurde dadurch nochmals bestätigt. Zudem zeigte
sich, dass die Angussleistenlänge einen signifikanten Einfluss auf die Prozesszeit
hat, wohingegen der Angussleistenquerschnitt eine untergeordnete Rolle spielt.
In recent years the field of polymer tribology experienced a tremendous development
leading to an increased demand for highly sophisticated in-situ measurement methods.
Therefore, advanced measurement techniques were developed and established
in this study. Innovative approaches based on dynamic thermocouple, resistive electrical
conductivity, and confocal distance measurement methods were developed in
order to in-situ characterize both the temperature at sliding interfaces and real contact
area, and furthermore the thickness of transfer films. Although dynamic thermocouple
and real contact area measurement techniques were already used in similar
applications for metallic sliding pairs, comprehensive modifications were necessary to
meet the specific demands and characteristics of polymers and composites since
they have significantly different thermal conductivities and contact kinematics. By using
tribologically optimized PEEK compounds as reference a new measurement and
calculation model for the dynamic thermocouple method was set up. This method
allows the determination of hot spot temperatures for PEEK compounds, and it was
found that they can reach up to 1000 °C in case of short carbon fibers present in the
polymer. With regard to the non-isotropic characteristics of the polymer compound,
the contact situation between short carbon fibers and steel counterbody could be
successfully monitored by applying a resistive measurement method for the real contact
area determination. Temperature compensation approaches were investigated
for the transfer film layer thickness determination, resulting in in-situ measurements
with a resolution of ~0.1 μm. In addition to a successful implementation of the measurement
systems, failure mechanism processes were clarified for the PEEK compound
used. For the first time in polymer tribology the behavior of the most interesting
system parameters could be monitored simultaneously under increasing load
conditions. It showed an increasing friction coefficient, wear rate, transfer film layer
thickness, and specimen overall temperature when frictional energy exceeded the
thermal transport capabilities of the specimen. In contrast, the real contact area between
short carbon fibers and steel decreased due to the separation effect caused by
the transfer film layer. Since the sliding contact was more and more matrix dominated,
the hot spot temperatures on the fibers dropped, too. The results of this failure
mechanism investigation already demonstrate the opportunities which the new
measurement techniques provide for a deeper understanding of tribological processes,
enabling improvements in material composition and application design.
Lokal lastgerecht verstärkte Multimaterialsysteme auf Basis von Polypropylen-Polypropylen-Hybriden
(2014)
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Prozess entwickelt, zur Realisierung lokal, lastgerecht
verstärkter Thermoplast-Hybridbauteile im Einsatzgebiet struktureller Anwendungen
im Automobilbereich. Hierzu wurde effektiv ein formgebender Schritt für
gewebeverstärkte Halbzeuge mit dem in-situ Tapelegeverfahren zur Aufbringung unidirektional
endlos faserverstärkter Bändchenmaterialien kombiniert.
Die durch die symbiotische Ausnutzung der Vorzüge der beiden Verfahren in Kombination
mit Sandwichbauweise realisierten Bauteile, zeichnen sich einerseits durch
eine Reduktion des Gesamtgewichts aus und weisen andererseits ein weit höheres
mechanisches Eigenschaftsprofil auf, als mit rein singulären Prozessschritten möglich
ist.
Im Rahmen des ganzheitlichen Prozessansatz wurden, ausgehend von einer experimentellen
und theoretischen Ermittlung, optimale Prozessparameter für das in-situ
Tapelegeverfahren in Bezug auf die interlaminare Risszähigkeit zwischen den Materialpartnern,
die Grenzschichtgüte beeinflussende Vorgänge ermittelt und diskutiert.
Es konnte gezeigt werden, dass durch die gewählte Prozesskombination deutlich erhöhte
Energiefreisetzungsraten realisiert werden können, verglichen mit Proben,
welche im Autoklav hergestellt wurden. Im Rahmen umfangreicher mechanischen
Charakterisierungsreihen konnte direkter Einfluss der unidirektionalen Verstärkungslagen
auf das mechanische Eigenschaftsprofil der Multimaterialsysteme nachgewiesen
werden. Darüberhinaus wurde das Hybridsystem erfolgreich in einer FESimulation
abgebildet und validiert. Durch eine prozessbasierte, ökonomische Betrachtung
konnte der Prozessansatz gegenüber Konkurrenzverfahren abgegrenzt
und als kosteneffektiv bewertet werden.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen einen, sowohl unter mechanischen als auch
ökonomischen Gesichtspunkten, sinnvollen und geeigneten Prozess zur Realisierung
lokal verstärkter struktureller Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile mit inhomogener
Lastverteilung auf.
Zur Herstellung von Kolbenbeschichtungen wird oft Polyamidimid (PAI)-Harz eingesetzt.
Dieses Harz benötigt die Verwendung eines Lösungsmittels, welches das Auftragen der
PAI-basierten Beschichtungen ermöglicht und nach der Applikation wieder entzogen
wird. Als Standard zur Herstellung von Polyamidimid-Harzen wird das Lösungsmittel
N-Methyl-2-Pyrrolidone (NMP) verwendet. NMP hat sich im Laufe der Jahre als das am
besten geeigneten Lösungsmittel für diese Anwendung bewährt.
Im Jahr 2010 wurde NMP als toxisch eingestuft. Auch die mittlerweile verwendeten
alternativen Lösungsmittel, N-Ethyl-2-Pyrrolidon (NEP) und gamma-Butyrolacton (GBL),
bringen Schwierigkeiten mit sich: NEP wird aufgrund der Ähnlichkeit seiner chemischen
Struktur zu NMP aller Voraussicht nach in naher Zukunft auch als toxisch eingestuft, und
GBL, als Vorstufe eines Narkotikums, stellt eine Herausforderung mit Hinblick auf
Arbeitsschutz und –sicherheit dar.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines PAI-basierten
Beschichtungssystems, welches ein umweltfreundliches Lösungsmittel verwendet und
die Anforderungen zur Herstellung von Kolbenschaftbeschichtungen hinreichend gut
erfüllt. Desweiteren muss die neu entwickelte PAI-Beschichtung gute mechanische
Eigenschaften, gute Haftfestigkeit zum Kolbengrundmaterial und optimales
tribologisches Verhalten mit Augenmerk auf eine niedrige spezifische Verschleißrate
aufweisen. Diese Eigenschaften müssen nach Aushärtung bei einer Temperatur nicht
höher als 215 °C erfüllbar sein, welche in einem realen Beschichtungsprozess einen
problemlosen Ablauf sicherstellen würde.
Damit die erworbenen mechanischen und tribologischen Endeigenschaften der
hergestellten PAI-basierten Gleitlackbeschichtungen richtig verstanden und interpretiert
werden, wurden die Grundlagen der chemischen Struktur der PAI-Harze möglichst
detailliert untersucht. Diese geben einen tiefen Einblick in die vorliegenden Struktur-
Eigenschafts-Beziehungen und erklären das mechanische und tribologische Verhalten
der PAI-Harze. Eine grundlegende Untersuchung der chemischen Struktur ausgewählter PAI-Harze
ergab neue Erkenntnisse bezüglich deren Aushärtekinetik und gewährleistete die
Aufklärung der chemischen Prozesse, die während der PAI-Aushärtung ablaufen. In
diesem Zusammenhang wurde der Umsatz, die Reaktionsgeschwindigkeit und die
Vernetzungsdichte als Funktion verschiedener Aushärtetemperaturen ermittelt.
Es wurden PAI-Beschichtungssysteme basiert auf verschiedenen Lösungsmittel, wie
z.B. 1,3-Dimethyl-3,4,5,6-tetrahydro-2(1H)-pyrimidinon (DMPU), 1,3-Dimethyl-2-
imidazolidinon (DMEU) und 1-Methylimidazol (MI), tribologisch und mechanisch
analysiert und den NMP-, NEP- und GBL-basierten Systemen gegenüber gestellt.
Aufgrund der zahlreichen Versuche konnte festgestellt werden, dass das Lösungsmittel
1-Methylimidazol die gestellten tribologischen Anforderungen, sogar schon bei der für
eine Kolbenschaftbeschichtung maximal zulässigen Aushärtetemperatur (215 °C), am
besten erfüllt.
Die Untersuchungen der chemischen Struktur und der Aushärtekinetik ergaben die
Ursache für diese guten finalen Eigenschaften des PAI-MI-Harzsystems. Dabei wurde
festgestellt, dass 1-Methylimidazol die Imidisierungsreaktion von PAI katalysiert, so dass
die Aushärtereaktion bei niedriger Aushärtetemperatur vollständiger und mit höherer
Reaktionsrate im Vergleich zu konventionellen PAI-Harzen verläuft. Aufgrund der
Bildung von Wasserstoffbrücken-Bindungen zeigte das PAI-MI-Harz bei einer
Aushärtung mit Endtemperatur 215 °C eine doppelt so hohe Steifigkeit im Vergleich zu
konventionellen Harzsystemen.
Weiterhin ergab die tribologische Versuchsreihe, dass die Zugabe von
aminofunktionalisierten TiO2-Submikropartikeln, kombiniert mit gemahlenen kurzen
Kohlenstofffasern, die tribologischen Eigenschaften von PAI-basierten Beschichtungssystemen
in Motortests signifikant verbesserte. Die Aminofunktionalisierung der TiO2-
Submikropartikel verbesserte deren Anbindung an die aminhaltige PAI-Matrix. Die
gemahlenen kurzen Kohlenstofffasern gewährleisteten eine Minimierung der
Schwierigkeiten beim Siebdruckprozess.
In automotive testrigs we apply load time series to components such that the outcome is as close as possible to some reference data. The testing procedure should in general be less expensive and at the same time take less time for testing. In my thesis, I propose a testrig damage optimization problem (WSDP). This approach improves upon the testrig stress optimization problem (TSOP) used as a state of the art by industry experts.
In both (TSOP) and (WSDP), we optimize the load time series for a given testrig configuration. As the name suggests, in (TSOP) the reference data is the stress time series. The detailed behaviour of the stresses as functions of time are sometimes not the most important topic. Instead the damage potential of the stress signals are considered. Since damage is not part of the objectives in the (TSOP) the total damage computed from the optimized load time series is not optimal with respect to the reference damage. Additionally, the load time series obtained is as long as the reference stress time series and the total damage computation needs cycle counting algorithms and Goodmann corrections. The use of cycle counting algorithms makes the computation of damage from load time series non-differentiable.
To overcome the issues discussed in the previous paragraph this thesis uses block loads for the load time series. Using of block loads makes the damage differentiable with respect to the load time series. Additionally, in some special cases it is shown that damage is convex when block loads are used and no cycle counting algorithms are required. Using load time series with block loads enables us to use damage in the objective function of the (WSDP).
During every iteration of the (WSDP), we have to find the maximum total damage over all plane angles. The first attempt at solving the (WSDP) uses discretization of the interval for plane angle to find the maximum total damage at each iteration. This is shown to give unreliable results and makes maximum total damage function non-differentiable with respect to the plane angle. To overcome this, damage function for a given surface stress tensor due to a block load is remodelled by Gaussian functions. The parameters for the new model are derived.
When we model the damage by Gaussian function, the total damage is computed as a sum of Gaussian functions. The plane with the maximum damage is similar to the modes of the Gaussian Mixture Models (GMM), the difference being that the Gaussian functions used in GMM are probability density functions which is not the case in the damage approximation presented in this work. We derive conditions for a single maximum for Gaussian functions, similar to the ones given for the unimodality of GMM by Aprausheva et al. in [1].
By using the conditions for a single maximum we give a clustering algorithm that merges the Gaussian functions in the sum as clusters. Each cluster obtained through clustering is such that it has a single maximum in the absence of other Gaussian functions of the sum. The approximate point of the maximum of each cluster is used as the starting point for a fixed point equation on the original damage function to get the actual maximum total damage at each iteration.
We implement the method for the (TSOP) and the two methods (with discretization and with clustering) for (WSDP) on two example problems. The results obtained from the (WSDP) using discretization is shown to be better than the results obtained from the (TSOP). Furthermore we show that, (WSDP) using clustering approach to finding the maximum total damage, takes less number of iterations and is more reliable than using discretization.
A single facility problem in the plane is considered, where an optimal location has to be
identified for each of finitely many time-steps with respect to time-dependent weights and
demand points. It is shown that the median objective can be reduced to a special case of the
static multifacility median problem such that results from the latter can be used to tackle the
dynamic location problem. When using block norms as distance measure between facilities,
a Finite Dominating Set (FDS) is derived. For the special case with only two time-steps, the
resulting algorithm is analyzed with respect to its worst-case complexity. Due to the relation
between dynamic location problems for T time periods and T-facility problems, this algorithm
can also be applied to the static 2-facility location problem.
We consider a network flow problem, where the outgoing flow is reduced by a certain percentage in each node. Given a maximum amount of flow that can leave the source node, the aim is to find a solution that maximizes the amount of flow which arrives at the sink.
Starting from this basic model, we include two new, additional aspects: On the one hand, we are able to reduce the loss at some of the nodes; on the other hand, the exact loss values are not known, but may come from a discrete uncertainty set of exponential size.
Applications for problems of this type can be found in evacuation planning, where one would like to improve the safety of nodes such that the number of evacuees reaching safety is maximized.
We formulate the resulting robust flow problem with losses and improvability as a mixed-integer program for finitely many scenarios, and present an iterative scenario-generation procedure that avoids the inclusion of all scenarios from the beginning. In a computational study using both randomly generated instance and realistic data based on the city of Nice, France, we compare our solution algorithms.
‘Dioxin-like’ (DL) compounds occur ubiquitously in the environment. Toxic responses associated with specific dibenzo-p-dioxins (PCDDs), dibenzofurans (PCDFs), and polychlorinated biphenyls (PCBs) include dermal toxicity, immunotoxicity, liver toxicity, carcinogenicity, as well as adverse effects on reproduction, development, and endocrine functions. Most, if not all of these effects are believed to be due to interaction of these compounds with the aryl hydrocarbon receptor (AhR).
With tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) as representatively most potent congener, a toxic equivalency factor (TEF) concept was employed, in which respective congeners were assigned to a certain TEF-value reflecting the compound’s toxicity relative to TCDD’s.
The EU-project ‘SYSTEQ’ aimed to develop, validate, and implement human systemic TEFs as indicators of toxicity for DL-congeners. Hence, the identification of novel quantifiable biomarkers of exposure was a major objective of the SYSTEQ project.
In order to approach to this objective, a mouse whole genome microarray analysis was applied using a set of seven individual congeners, termed the ‘core congeners’. These core congeners (TCDD, 1-PeCDD, 4-PeCDF, PCB 126, PCB 118, PCB 156, and the non dioxin-like PCB 153), which contribute to approximately 90% of toxic equivalents (TEQs) in the human food chain, were further tested in vivo as well as in vitro. The mouse whole genome microarray revealed a conserved list of differentially regulated genes and pathways associated with ‘dioxin-like’ effects.
A definite data-set of in vitro studies was supposed to function as a fundament for a probable establishment of novel TEFs. Thus, CYP1A induction measured by EROD activity, which represents a sensitive and yet best known marker for dioxin-like effects, was used to estimate potency and efficacy of selected congeners. For this study, primary rat hepatocytes and the rat hepatoma cell line H4IIE were used as well as the core congeners and an additional group of compounds of comparable relevance for the environment: 1,6-HxCDD, 1,4,6-HpCDD, TCDF, 1,4-HxCDF, 1,4,6-HpCDF, PCB 77, and PCB 105.
Besides, a human whole genome microarray experiment was applied in order to gain knowledge with respect to TCDD’s impact towards cells of the immune system. Hence, human primary blood mononuclear cells (PBMCs) were isolated from individuals and exposed to TCDD or to TCDD in combination with a stimulus (lipopolysaccharide (LPS), or phytohemagglutinin (PHA)). A few members of the AhR-gene batterie were found to be regulated, and minor data with respect to potential TCDD-mediated immunomodulatory effects were given. Still, obtained data in this regard was limited due to great inter-individual differences.
Congress Report 2014.08-10
(2014)
In this thesis, we combine Groebner basis with SAT Solver in different manners.
Both SAT solvers and Groebner basis techniques have their own strength and weakness.
Combining them could fix their weakness.
The first combination is using Groebner techniques to learn additional binary clauses for SAT solver from a selection of clauses. This combination is first proposed by Zengler and Kuechlin.
However, in our experiments, about 80 percent Groebner basis computations give no new binary clauses.
By selecting smaller and more compact input for Groebner basis computations, we can significantly
reduce the number of inefficient Groebner basis computations, learn much more binary clauses. In addition,
the new strategy can reduce the solving time of a SAT Solver in general, especially for large and hard problems.
The second combination is using all-solution SAT solver and interpolation to compute Boolean Groebner bases of Boolean elimination ideals of a given ideal. Computing Boolean Groebner basis of the given ideal is an inefficient method in case we want to eliminate most of the variables from a big system of Boolean polynomials.
Therefore, we propose a more efficient approach to handle such cases.
In this approach, the given ideal is translated to the CNF formula. Then an all-solution SAT Solver is used to find the projection of all solutions of the given ideal. Finally, an algorithm, e.g. Buchberger-Moeller Algorithm, is used to associate the reduced Groebner basis to the projection.
We also optimize the Buchberger-Moeller Algorithm for lexicographical ordering and compare it with Brickenstein's interpolation algorithm.
Finally, we combine Groebner basis and abstraction techniques to the verification of some digital designs that contain complicated data paths.
For a given design, we construct an abstract model.
Then, we reformulate it as a system of polynomials in the ring \({\mathbb Z}_{2^k}[x_1,\dots,x_n]\).
The variables are ordered in a way such that the system has already been a Groebner basis w.r.t lexicographical monomial ordering.
Finally, the normal form is employed to prove the desired properties.
To evaluate our approach, we verify the global property of a multiplier and a FIR filter using the computer algebra system Singular. The result shows that our approach is much faster than the commercial verification tool from Onespin on these benchmarks.
Test rig optimization
(2014)
Designing good test rigs for fatigue life tests is a common task in the auto-
motive industry. The problem to find an optimal test rig configuration and
actuator load signals can be formulated as a mathematical program. We in-
troduce a new optimization model that includes multi-criteria, discrete and
continuous aspects. At the same time we manage to avoid the necessity to
deal with the rainflow-counting (RFC) method. RFC is an algorithm, which
extracts load cycles from an irregular time signal. As a mathematical func-
tion it is non-convex and non-differentiable and, hence, makes optimization
of the test rig intractable.
The block structure of the load signals is assumed from the beginning.
It highly reduces complexity of the problem without decreasing the feasible
set. Also, we optimize with respect to the actuators’ positions, which makes
it possible to take torques into account and thus extend the feasible set. As
a result, the new model gives significantly better results, compared with the
other approaches in the test rig optimization.
Under certain conditions, the non-convex test rig problem is a union of
convex problems on cones. Numerical methods for optimization usually need
constraints and a starting point. We describe an algorithm that detects each
cone and its interior point in a polynomial time.
The test rig problem belongs to the class of bilevel programs. For every
instance of the state vector, the sum of functions has to be maximized. We
propose a new branch and bound technique that uses local maxima of every
summand.
Congress Report 2014.11-12
(2014)
Im Forschungsprojekt „Innovationen in der Bauwirtschaft – Von der Idee bis zum Markt“ wurde in Zusammenarbeit mit acht Industriepartnern an einer Zusammenstellung von geeigneten Konzepten zur umfassenden Begleitung des betrieblichen Innovationsmanagements in der Baubranche gearbeitet.
Das Wissensmodul 2 „Innovationsideen erfolgreich umsetzen“ bildet den zweiten Teil der im Forschungsprojekt entstandenen Broschürenreihe und ergänzt die in Wissensmodul 1 vorgestellten Themenfelder. Während in Wissensmodul 1 auf die Schaffung allgemeiner Rahmenbedingungen für Innovationsfähigkeit und Innovationsbereitschaft in Unternehmen der Bauwirtschaft eingegangen wird, stehen in diesem Wissensmodul 2 Konzepte im Vordergrund, welche die Umsetzung konkreter Innovationsvorhaben und deren anschließende „Vermarktung“ an die jeweilige Zielgruppe unterstützen. Ausgedrückt in den gängigen Fachbegriffen der Innovationsforschung bezieht sich diese Broschüre demnach auf die drei Phasen der Ideenakzeptierung, der Ideenrealisierung und der Diffusion der entstandenen Innovation im Innovationsprozess. Die in der Broschüre behandelten Themenfelder sind die Chancen-Risiken-Analyse zum Zeitpunkt der Ideenauswahl, das Innovationsprojektmanagement für die Umsetzung der Innovationsidee und schließlich die gezielte Ansprache und Einbindung von Personengruppen oder Organisationen, die als „Adoptoren“ für die Übernahme und Akzeptanz der Innovation besonders wichtig sind.
Das Ziel beider Broschüren ist es, Unternehmen der Bauwirtschaft bei ihrem Weg von der Entwicklung bis hin zur Vermarktung von Innovationsideen durch praxisnah beschriebene Konzepte und Methoden zu unterstützen. Aufbauend auf einer Analyse der vorhandenen Strukturen und Vorgehensweisen bei der Entwicklung und Umsetzung von Innovationsideen der im Projekt beteiligten Partnerunternehmen, wurden hierfür zunächst bewährte Konzepte und Gestaltungsansätze des Innovationsmanagements ausgewählt. Diese wurden anschließend zusammen mit den Unternehmenspartnern auf ihre Anwendbarkeit und Eignung sowie ihren Nutzen für ein betriebliches Management von Innovationsprozessen in der bauwirtschaftlichen Praxis untersucht.
Perceptual grouping is an integral part of visual object recognition. It organizes elements within our visual field according to a set of heuristics (grouping principles), most of which are not well understood. To identify their temporal processing dynamics (i.e., to identify whether they rely on neuronal feedforward or recurrent activation), we introduce the primed flanker task that is based on a firm empirical and theoretical background. In three sets of experiments, participants responded to visual stimuli that were either grouped by (1) similarity of brightness, shape, or size, (2) symmetry and closure, or (3) Good Gestalt. We investigated whether these grouping cues were effective in rapid visuomotor processing (i.e., in terms of response times, error rates, and priming effects) and whether the results met theory-driven indicators of feedforward processing. (1) In the first set of experiments with similarity cues, we varied subjective grouping strength and found that stronger grouping in the targets enhanced overall response times while stronger grouping in the primes enhanced priming effects in motor responses. We also obtained differences between rapid visuomotor processing and the subjective impression with cues of brightness and shape but not with cues of brightness and size. These results show that the primed flanker task is an objective measure for comparing different feedforward-transmitted groupings. (2) In the second set of experiments, we used the task to study grouping by symmetry and grouping by closure that are more complex than similarity cues. We obtained results that were mostly in accordance with a feedforward model. Some other factors (line of view, orientation of the symmetry axis) were irrelevant for processing of symmetry cues. Thus, these experiments suggest that closure and (possibly) viewpoint-independent symmetry cues are extracted rapidly during the first feedforward wave of neuronal processing. (3) In the third set of experiments, we used the task to study grouping by Good Gestalt (i.e., visual completion in occluded shapes). By varying the amount of occlusion, we found that the processing was in accordance with a feedforward model only when occlusion was very limited. Thus, these experiments suggest that Good Gestalt is not extracted rapidly during the first feedforward wave of neuronal processing but relies on recurrent activation. I conclude (1) that the primed flanker task is an excellent tool to identify and compare the processing characteristics of different grouping cues by behavioral means, (2) that grouping strength and other factors are strongly modulating these processing characteristics, which (3) challenges a dichotomous classification of grouping cues based on feedforward vs. recurrent processing (incremental grouping theory, Roelfsema, 2006), and (4) that a focus on temporal processing dynamics is necessary to understand perceptual grouping.
The hypervolume subset selection problem consists of finding a subset, with a given cardinality \(k\), of a set of nondominated points that maximizes the hypervolume indicator. This problem arises in selection procedures of evolutionary algorithms for multiobjective optimization, for which practically efficient algorithms are required. In this article, two new formulations are provided for the two-dimensional variant of this problem.
The first is a (linear) integer programming formulation that can be solved by solving its linear programming relaxation. The second formulation is a \(k\)-link shortest path formulation on a special digraph with the Monge property that can be solved by dynamic programming in \(\mathcal{O}(n(k + \log n))\) time. This improves upon the \(\mathcal{O}(n^2k)\) result of Bader (2009), and matches the recent result of Bringmann et al. (2014), which was developed independently from this work using different techniques. Moreover, it is shown that these bounds may be further improved under mild conditions on \(k\).
This thesis combines mass spectrometric studies on ionic dicarboxylic acids and transition metal cluster adsorbate complexes. IR-MPD spectra of protonated and deprotonated aliphatic and aromatic dicarboxylic acids provide insights in the nature of intramolecular hydrogen bonding. Investigations of their fragmentation behavior are supported by MP2 calculations. Prior work on cobalt transition metal clusters is extended to iron and nickel and three cobalt alloys have been studied.
Minmax regret optimization aims at finding robust solutions that perform best in the worst-case, compared to the respective optimum objective value in each scenario. Even for simple uncertainty sets like boxes, most polynomially solvable optimization problems have strongly NP-hard minmax regret counterparts. Thus, heuristics with performance guarantees can potentially be of great value, but only few such guarantees exist.
A very easy but effective approximation technique is to compute the midpoint solution of the original optimization problem, which aims at optimizing the average regret, and also the average nominal objective. It is a well-known result that the regret of the midpoint solution is at most 2 times the optimal regret. Besides some academic instances showing that this bound is tight, most instances reveal a way better approximation ratio.
We introduce a new lower bound for the optimal value of the minmax regret problem. Using this lower bound we state an algorithm that gives an instance dependent performance guarantee of the midpoint solution for combinatorial problems that is at most 2. The computational complexity of the algorithm depends on the minmax regret problem under consideration; we show that the sharpened guarantee can be computed in strongly polynomial time for several classes of combinatorial optimization problems.
To illustrate the quality of the proposed bound, we use it within a branch and bound framework for the robust shortest path problem. In an experimental study comparing this approach with a bound from the literature, we find a considerable improvement in computation times.
Pedestrian Flow Models
(2014)
There have been many crowd disasters because of poor planning of the events. Pedestrian models are useful in analysing the behavior of pedestrians in advance to the events so that no pedestrians will be harmed during the event. This thesis deals with pedestrian flow models on microscopic, hydrodynamic and scalar scales. By following the Hughes' approach, who describes the crowd as a thinking fluid, we use the solution of the Eikonal equation to compute the optimal path for pedestrians. We start with the microscopic model for pedestrian flow and then derive the hydrodynamic and scalar models from it. We use particle methods to solve the governing equations. Moreover, we have coupled a mesh free particle method to the fixed grid for solving the Eikonal equation. We consider an example with a large number of pedestrians to investigate our models for different settings of obstacles and for different parameters. We also consider the pedestrian flow in a straight corridor and through T-junction and compare our numerical results with the experiments. A part of this work is devoted for finding a mesh free method to solve the Eikonal equation. Most of the available methods to solve the Eikonal equation are restricted to either cartesian grid or triangulated grid. In this context, we propose a mesh free method to solve the Eikonal equation, which can be applicable to any arbitrary grid and useful for the complex geometries.
We consider the problem of evacuating an urban area caused by a natural or man-made disaster. There are several planning aspects that need to be considered in such a scenario, which are usually considered separately, due to their computational complexity. These aspects include: Which shelters are used to accommodate evacuees? How to schedule public transport for transit-dependent evacuees? And how do public and individual traffic interact? Furthermore, besides evacuation time, also the risk of the evacuation needs to be considered.
We propose a macroscopic multi-criteria optimization model that includes all of these questions simultaneously. As a mixed-integer programming formulation cannot handle instances of real-world size, we develop a genetic algorithm of NSGA-II type that is able to generate feasible solutions of good quality in reasonable computation times.
We extend the applicability of these methods by also considering how to aggregate instance data, and how to generate solutions for the original instance starting from a reduced solution.
In computational experiments using real-world data modelling the cities of Nice in France and Kaiserslautern in Germany, we demonstrate the effectiveness of our approach and compare the trade-off between different levels of data aggregation.
Technik ist in der heutigen Zeit allgegenwärtig. Bei all ihrer Omnipräsenz wird jedoch leicht übersehen, dass die Frage nach der Technik selber, d.h. die Frage danach, was genau unter „Technik“ überhaupt zu verstehen ist, bisher weitestgehend undeutlich geblieben ist.
Für die Philosophie erwächst daraus die Aufgabe, an dieser Stelle begriffsklärend einzugreifen.
Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, einen Beitrag zu einem besseren Verständnis von Technik und technischen Artefakten zu leisten. Die Argumentation gliedert sich dabei in zwei Schritte: Zuerst wird gezeigt, dass sich Technik nur in ihren Abgrenzungsverhältnissen zur Natur und zum Leben verstehen lässt und eine dem entsprechende Definition des Technikbegriffs vorgeschlagen. Anschließend wird daraus ein Verständnis technischer Artefakte im Sinne einer artefaktischen Technik abgeleitet.
Die Gliederung der Arbeit besteht dann im wesentlichen aus drei Teilen:
1. Das erste Kapitel dient der Einführung in die Problematik des Technikbegriffs:
Dabei wird in einem ersten Abschnitt auf die historische Dimension des Technikbegriffs verwiesen (1.1), anschließend die gegenwärtige Diskussion um den Technikbegriff zusammengefasst und kritisch bewertet (1.2) sowie Klassifikationen bzw. Kriterien hinsichtlich einer möglichen Definition des Technikbegriffs vorgeschlagen (1.3).
2. Das zweite Kapitel dient der Etablierung eines Technikbegriffs, der sich als semantisch abhängig von den Begriffen „Leben“ und „Natur“ erweist:
Dabei wird in einem ersten Abschnitt ein solches semantisches Verhältnis der Begriffe zueinander von anderen Möglichkeiten wechselseitiger Abgrenzung unterschieden (2.1). Sodann wird diese Abgrenzung mittels sogenannter Konstitutionsformen inhaltlich aufgefüllt (2.2). Nach der ausführlichen Erläuterung dieser Konstitutionsformen in ihrem paarweisen Zusammenhang, wird eine auf ihnen beruhende Definition von „Technik“ vorgeschlagen. In einem dritten Abschnitt wird das Modell der Konstitutionsformen um sogenannte Erschließungsformen erweitert, als diejenigen Fragehorizonte, mittels denen eine Binnendifferenzierung in verschieden Arten von Technik gelingt (2.3). In der Folge davon, wird eine Definition für eine jeweils „spezifische Technik“ vorgeschlagen.
3. Das dritte Kapitel dient der Untersuchung des ontologischen Status' technischer Artefakte:
Dabei werden technische Artefakte im Sinne einer „spezifischen Technik“ konkretisiert und damit als eine artefaktische Technik interpretiert (3.1). Anschließend wird überprüft, inwiefern sich eine solche Interpretation bezüglich a) der Frage, ob technische Artefakte natürliche Arten darstellen, bzw. b) des Problems der Koinzidenz von Objekten bewährt. Die aus diesen Überlegungen heraus gewonnenen Erkenntnisse werden abschließend in ihrer Anwendung auf Grenzfälle technischer Artefakte fruchtbar gemacht (3.2).
Feine Feststoffe mit einer Korngröße zwischen > 45 µm und ≤ 63 µm (PM63) können als Maß für eine Belastung von Niederschlagsabflüssen dienen, da sie abhängig von der Herkunftsfläche überproportional mit Schadstoffen, wie z.B. Schwermetalle, belastet sein können. Neben den Aktivitäten auf der Herkunftsfläche (Staubniederschlag, Verkehr) beeinflussen jahreszeitliche Randbedingungen und bauliche Gegebenheiten das Feststoffaufkommen sowie den Feststofftransport in die Niederschlagsabflüsse maßgeblich.
Das Ziel der Arbeit war, den Kenntnisstand bezüglich Herkunft, Verhalten und Verbleib, aber auch Zusammensetzung und Korngrößenverteilung von Feststoffen auf Verkehrs- und Dachflächen darzustellen. Anhand der Kenntnisse und der Auswertung von Ergebnissen aus Messkampagnen wurden Gleichungen für unterschiedliche Herkunftsflächen (Verkehrsflächen, Dachflächen, Mischflächen) entwickelt, mit denen das flächenspezifische jährliche Aufkommen abfiltrierbarer Stoffe (AFS) und feiner Feststoffe (PM63) in [kg/(ha∙a)] bzw. jeweils eine mittlere Jahreskonzentration in [mg/l] abgeschätzt werden können.
Die Gleichungen wurden schließlich jeweils einer Sensitivitätsanalyse unterzogen und anhand von gut beschriebenen Messprogrammen zur Gesamtfeststoffkonzentration (AFS) verifiziert.
Da es derzeit noch wenige Studien bezüglich des Aufkommens und -transportes feiner Feststoffe in Niederschlagsabflüssen gibt, blieben einige Fragestellungen offen. Sind in Zukunft weitere Studien über PM63-Anteile, -Aufkommen und -Transport verfügbar, lassen sich die hier zunächst vorgeschlagenen PM63-Anteile und -Faktoren problemlos anpassen.
In this paper we construct a numerical solver for the Saint Venant equations. Special attention
is given to the balancing of the source terms, including the bottom slope and variable cross-
sectional profiles. Therefore a special discretization of the pressure law is used, in order to
transfer analytical properties to the numerical method. Based on this approximation a well-
balanced solver is developed, assuring the C-property and depth positivity. The performance
of this method is studied in several test cases focusing on accurate capturing of steady states.
The sink location problem is a combination of network flow and location problems: From a given set of nodes in a flow network a minimum cost subset \(W\) has to be selected such that given supplies can be transported to the nodes in \(W\). In contrast to its counterpart, the source location problem which has already been studied in the literature, sinks have, in general, a limited capacity. Sink location has a decisive application in evacuation planning, where the supplies correspond to the number of evacuees and the sinks to emergency shelters.
We classify sink location problems according to capacities on shelter nodes, simultaneous or non-simultaneous flows, and single or multiple assignments of evacuee groups to shelters. Resulting combinations are interpreted in the evacuation context and analyzed with respect to their worst-case complexity status.
There are several approaches to tackle these problems: Generic solution methods for uncapacitated problems are based on source location and modifications of the network. In the capacitated case, for which source location cannot be applied, we suggest alternative approaches which work in the original network. It turns out that latter class algorithms are superior to the former ones. This is established in numerical tests including random data as well as real world data from the city of Kaiserslautern, Germany.
This dissertation focuses on the evaluation of technical and environmental sustainability of water distribution systems based on scenario analysis. The decision support system is created to assist in the decision making-process and to visualize the results of the sustainability assessment for current and future populations and scenarios. First, a methodology is developed to assess the technical and environmental sustainability for the current and future water distribution system scenarios. Then, scenarios are produced to evaluate alternative solutions for the current water distribution system as well as future populations and water demand variations. Finally, a decision support system is proposed using a combination of several visualization approaches to increase the data readability and robustness for the sustainability evaluations of the water distribution system.
The technical sustainability of a water distribution system is measured using the sustainability index methodology which is based on the reliability, resiliency and vulnerability performance criteria. Hydraulic efficiency and water quality requirements are represented using the nodal pressure and water age parameters, respectively. The U.S. Environmental Protection Agency EPANET software is used to simulate hydraulic (i.e. nodal pressure) and water quality (i.e. water age) analysis in a case study. In addition, the environmental sustainability of a water network is evaluated using the “total fresh water use” and “total energy intensity” indicators. For each scenario, multi-criteria decision analysis is used to combine technical and environmental sustainability criteria for the study area.
The technical and environmental sustainability assessment methodology is first applied to the baseline scenario (i.e. the current water distribution system). Critical locations where hydraulic efficiency and water quality problems occur in the current system are identified. There are two major scenario options that are considered to increase the sustainability at these critical locations. These scenarios focus on creating alternative systems in order to test and verify the technical and environmental sustainability methodology rather than obtaining the best solution for the current and future water distribution systems. The first scenario is a traditional approach in order to increase the hydraulic efficiency and water quality. This scenario includes using additional network components such as booster pumps, valves etc. The second scenario is based on using reclaimed water supply to meet the non-potable water demand and fire flow. The fire flow simulation is specifically included in the sustainability assessment since regulations have significant impact on the urban water infrastructure design. Eliminating the fire flow need from potable water distribution systems would assist in saving fresh water resources as well as to reduce detention times.
The decision support system is created to visualize the results of each scenario and to effectively compare these results with each other. The EPANET software is a powerful tool used to conduct hydraulic and water quality analysis but for the decision support system purposes the visualization capabilities are limited. Therefore, in this dissertation, the hydraulic and water quality simulations are completed using EPANET software and the results for each scenario are visualized by combining several visualization techniques in order to provide a better data readability. The first technique introduced here is using small multiple maps instead of the animation technique to visualize the nodal pressure and water age parameters. This technique eliminates the change blindness and provides easy comparison of time steps. In addition, a procedure is proposed to aggregate the nodes along the edges in order to simplify the water network. A circle view technique is used to visualize two values of a single parameter (i.e. the nodal pressure or water age). The third approach is based on fitting the water network into a grid representation which assists in eliminating the irregular geographic distribution of the nodes and improves the visibility of each circle view. Finally, a prototype for an interactive decision support tool is proposed for the current population and water demand scenarios. Interactive tools enable analyzing of the aggregated nodes and provide information about the results of each of the current water distribution scenarios.
Geometric Programming is a useful tool with a wide range of applications in engineering. As in real-world problems input data is likely to be affected by uncertainty, Hsiung, Kim, and Boyd introduced robust geometric programming to include the uncertainty in the optimization process. They also developed a tractable approximation method to tackle this problem. Further, they pose the question whether there exists a tractable reformulation of their robust geometric programming model instead of only an approximation method. We give a negative answer to this question by showing that robust geometric programming is co-NP hard in its natural posynomial form.
Optical character recognition (OCR) of machine printed text is ubiquitously considered as a solved problem. However, error free OCR of degraded (broken and merged) and noisy text is still challenging for modern OCR systems. OCR of degraded text with high accuracy is very important due to many applications in business, industry and large scale document digitization projects. This thesis presents a new OCR method for degraded
text recognition by introducing a combined ANN/HMM OCR approach. The approach
provides significantly better performance in comparison with state-of-the-art HMM based OCR methods and existing open source OCR systems. In addition, the thesis introduces novel applications of ANNs and HMMs for document image preprocessing and recognition of low resolution text. Furthermore, the thesis provides psychophysical experiments to determine the effect of letter permutation in visual word recognition of Latin and Cursive
script languages.
HMMs and ANNs are widely employed pattern recognition paradigms and have been
used in numerous pattern classification problems. This work presents a simple and novel method for combining the HMMs and ANNs in application to segmentation free OCR of degraded text. HMMs and ANNs are powerful pattern recognition strategies and their combination is interesting to improve current state-of-the-art research in OCR. Mostly, previous attempts in combining the HMMs and ANNs were focused on applying ANNs
as approximation of the probability density function or as a neural vector quantizer for HMMs. These methods either require combined NN/HMM training criteria [ECBG-MZM11] or they use complex neural network architecture like time delay or space displacement neural networks [BLNB95]. However, in this work neural networks are used as discriminative feature extractor, in combination with novel text line scanning mechanism, to extract discriminative features from unsegmented text lines. The features are
processed by HMMs to provide segmentation free text line recognition. The ANN/HMM modules are trained separately on a common dataset by using standard machine learning procedures. The proposed ANN/HMM OCR system also realizes to some extent several cognitive reading based strategies during the OCR. On a dataset of 1,060 degraded text lines extracted from the widely used UNLV-ISRI benchmark database [TNBC99], the presented system achieves a 30% reduction in error rate as compared to Google’s Tesseract OCR system [Smi13] and 43% reduction in error as compared to OCRopus OCR system [Bre08], which are the best open source OCR systems available today.
In addition, this thesis introduces new applications of HMMs and ANNs in OCR and document images preprocessing. First, an HMMs-based segmentation free OCR approach is presented for recognition of low resolution text. OCR of low resolution text is quite important due to presence of low resolution text in screen-shots, web images and video captions. OCR of low resolution text is challenging because of antialiased rendering and use of very small font size. The characters in low resolution text are usually joined to each other and they may appear differently at different locations on computer screen. This
work presents the use of HMMs in optical recognition of low resolution isolated characters and text lines. The evaluation of the proposed method shows that HMMs-based OCR techniques works quite well and reaches the performance of specialized approaches for OCR of low resolution text.
Then, this thesis presents novel applications of ANNs for automatic script recognition and orientation detection. Script recognition determines the written script on the page for the application of an appropriate character recognition algorithm. Orientation detection detects and corrects the deviation of the document’s orientation angle from the horizontal direction. Both, script recognition and orientation detection, are important preprocessing steps in developing robust OCR systems. In this work, instead of extracting handcrafted features, convolutional neural networks are used to extract relevant discriminative features for each classification task. The proposed method resulted in more than 95% script recognition accuracy on various multi-script documents at connected component level
and 100% page orientation detection accuracy for Urdu documents.
Human reading is a nearly analogous cognitive process to OCR that involves decoding of printed symbols into meanings. Studying the cognitive reading behavior may help in building a robust machine reading strategy. This thesis presents a behavioral study that deals on how cognitive system works in visual recognition of words and permuted non-words. The objective of this study is to determine the impact of overall word shape
in visual word recognition process. The permutation is considered as a source of shape degradation and visual appearance of actual words can be distorted by changing the constituent letter positions inside the words. The study proposes a hypothesis that reading of words and permuted non-words are two distinct mental level processes, and people use
different strategies in handling permuted non-words as compared to normal words. The hypothesis is tested by conducting psychophysical experiments in visual recognition of words from orthographically different languages i.e. Urdu, German and English. Experimental data is analyzed using analysis of variance (ANOVA) and distribution free rank tests to determine significance differences in response time latencies for two classes of data. The results support the presented hypothesis and the findings are consistent with
the dual route theories of reading.
The classic approach in robust optimization is to optimize the solution with respect to the worst case scenario. This pessimistic approach yields solutions that perform best if the worst scenario happens, but also usually perform bad on average. A solution that optimizes the average performance on the other hand lacks in worst-case performance guarantee.
In practice it is important to find a good compromise between these two solutions. We propose to deal with this problem by considering it from a bicriteria perspective. The Pareto curve of the bicriteria problem visualizes exactly how costly it is to ensure robustness and helps to choose the solution with the best balance between expected and guaranteed performance.
Building upon a theoretical observation on the structure of Pareto solutions for problems with polyhedral feasible sets, we present a column generation approach that requires no direct solution of the computationally expensive worst-case problem. In computational experiments we demonstrate the effectivity of both the proposed algorithm, and the bicriteria perspective in general.
Multilevel Constructions
(2014)
The thesis consists of the two chapters.
The first chapter is addressed to make a deep investigation of the MLMC method. In particular we take an optimisation view at the estimate. Rather than fixing the number of discretisation points \(n_i\) to be a geometric sequence, we are trying to find an optimal set up for \(n_i\) such that for a fixed error the estimate can be computed within a minimal time.
In the second chapter we propose to enhance the MLMC estimate with the weak extrapolation technique. This technique helps to improve order of a weak convergence of a scheme and as a result reduce CC of an estimate. In particular we study high order weak extrapolation approach, which is know not be inefficient in the standard settings. However, a combination of the MLMC and the weak extrapolation yields an improvement of the MLMC.
In the presented work, I evaluate if and how Virtual Reality (VR) technologies can be used to support researchers working in the geosciences by providing immersive, collaborative visualization systems as well as virtual tools for data analysis. Technical challenges encountered in the development of theses systems are identified and solutions for these are provided.
To enable geologists to explore large digital terrain models (DTMs) in an immersive, explorative fashion within a VR environment, a suitable terrain rendering algorithm is required. For realistic perception of planetary curvature at large viewer altitudes, spherical rendering of the surface is necessary. Furthermore, rendering must sustain interactive frame rates of about 30 frames per second to avoid sensory confusion of the user. At the same time, the data structures used for visualization should also be suitable for efficiently computing spatial properties such as height profiles or volumes in order to implement virtual analysis tools. To address these requirements, I have developed a novel terrain rendering algorithm based on tiled quadtree hierarchies using the HEALPix parametrization of a sphere. For evaluation purposes, the system is applied to a 500 GiB dataset representing the surface of Mars.
Considering the current development of inexpensive remote surveillance equipment such as quadcopters, it seems inevitable that these devices will play a major role in future disaster management applications. Virtual reality installations in disaster management headquarters which provide an immersive visualization of near-live, three-dimensional situational data could then be a valuable asset for rapid, collaborative decision making. Most terrain visualization algorithms, however, require a computationally expensive pre-processing step to construct a terrain database.
To address this problem, I present an on-the-fly pre-processing system for cartographic data. The system consists of a frontend for rendering and interaction as well as a distributed processing backend executing on a small cluster which produces tiled data in the format required by the frontend on demand. The backend employs a CUDA based algorithm on graphics cards to perform efficient conversion from cartographic standard projections to the HEALPix-based grid used by the frontend.
Measurement of spatial properties is an important step in quantifying geological phenomena. When performing these tasks in a VR environment, a suitable input device and abstraction for the interaction (a “virtual tool”) must be provided. This tool should enable the user to precisely select the location of the measurement even under a perspective projection. Furthermore, the measurement process should be accurate to the resolution of the data available and should not have a large impact on the frame rate in order to not violate interactivity requirements.
I have implemented virtual tools based on the HEALPix data structure for measurement of height profiles as well as volumes. For interaction, a ray-based picking metaphor was employed, using a virtual selection ray extending from the user’s hand holding a VR interaction device. To provide maximum accuracy, the algorithms access the quad-tree terrain database at the highest available resolution level while at the same time maintaining interactivity in rendering.
Geological faults are cracks in the earth’s crust along which a differential movement of rock volumes can be observed. Quantifying the direction and magnitude of such translations is an essential requirement in understanding earth’s geological history. For this purpose, geologists traditionally use maps in top-down projection which are cut (e.g. using image editing software) along the suspected fault trace. The two resulting pieces of the map are then translated in parallel against each other until surface features which have been cut by the fault motion come back into alignment. The amount of translation applied is then used as a hypothesis for the magnitude of the fault action. In the scope of this work it is shown, however, that performing this study in a top-down perspective can lead to the acceptance of faulty reconstructions, since the three-dimensional structure of topography is not considered.
To address this problem, I present a novel terrain deformation algorithm which allows the user to trace a fault line directly within a 3D terrain visualization system and interactively deform the terrain model while inspecting the resulting reconstruction from arbitrary perspectives. I demonstrate that the application of 3D visualization allows for a more informed interpretation of fault reconstruction hypotheses. The algorithm is implemented on graphics cards and performs real-time geometric deformation of the terrain model, guaranteeing interactivity with respect to all parameters.
Paleoceanography is the study of the prehistoric evolution of the ocean. One of the key data sources used in this research are coring experiments which provide point samples of layered sediment depositions at the ocean floor. The samples obtained in these experiments document the time-varying sediment concentrations within the ocean water at the point of measurement. The task of recovering the ocean flow patterns based on these deposition records is a challenging inverse numerical problem, however.
To support domain scientists working on this problem, I have developed a VR visualization tool to aid in the verification of model parameters by providing simultaneous visualization of experimental data from coring as well as the resulting predicted flow field obtained from numerical simulation. Earth is visualized as a globe in the VR environment with coring data being presented using a billboard rendering technique while the
time-variant flow field is indicated using Line-Integral-Convolution (LIC). To study individual sediment transport pathways and their correlation with the depositional record, interactive particle injection and real-time advection is supported.
Due to the increasing number of natural or man-made disasters, the application of operations research methods in evacuation planning has seen a rising interest in the research community. From the beginning, evacuation planning has been highly focused on car-based evacuation. Recently, also the evacuation of transit depended evacuees with the help of buses has been considered.
In this case study, we apply two such models and solution algorithms to evacuate a core part of the metropolitan capital city Kathmandu of Nepal as a hypothetical endangered region, where a large part of population is transit dependent. We discuss the computational results for evacuation time under a broad range of possible scenarios, and derive planning suggestions for practitioners.
We consider two major topics in this thesis: spatial domain partitioning which serves as a framework to simulate creep flows in representative volume elements.
First, we introduce a novel multi-dimensional space partitioning method. A new type of tree combines the advantages of the Octree and the KD-tree without having their disadvantages. We present a new data structure allowing local refinement, parallelization and proper restriction of transition ratios between nodes. Our technique has no dimensional restrictions at all. The tree's data structure is defined by a topological algebra based on the symbols \( A = \{ L, I, R \} \) that encode the partitioning steps. The set of successors is restricted such that each node has the partition of unity property to partition domains without overlap. With our method it is possible to construct a wide choice of spline spaces to compress or reconstruct scientific data such as pressure and velocity fields and multidimensional images. We present a generator function to build a tree that represents a voxel geometry. The space partitioning system is used as a framework to allow numerical computations. This work is triggered by the problem of representing, in a numerically appropriate way, huge three-dimensional voxel geometries that could have up to billions of voxels. These large datasets occure in situations where it is needed to deal with large representative volume elements (REV).
Second, we introduce a novel approach of variable arrangement for pressure and velocity to solve the Stokes equations. The basic idea of our method is to arrange variables in a way such that each cell is able to satisfy a given physical law independently from its neighbor cells. This is done by splitting velocity values to a left and right converging component. For each cell we can set up a small linear system that describes the momentum and mass conservation equations. This formulation allows to use the Gauß-Seidel algorithm to solve the global linear system. Our tree structure is used for spatial partitioning of the geometry and provides a proper initial guess. In addition, we introduce a method that uses the actual velocity field to refine the tree and improve the numerical accuracy where it is needed. We developed a novel approach rather than using existing approaches such as the SIMPLE algorithm, Lattice-Boltzmann methods or Exlicit jump methods since they are suited for regular grid structures. Other standard CFD approaches extract surfaces and creates tetrahedral meshes to solve on unstructured grids thus can not be applied to our datastructure. The discretization converges to the analytical solution with respect to grid refinement. We conclude a high strength in computational time and memory for high porosity geometries and a high strength in memory requirement for low porosity geometries.
Enhanced information processing of phobic natural images in participants with specific phobias
(2014)
From an evolutionary point of view, it can be assumed that visual processing and rapid detection of potentially dangerous stimuli in the environment (e.g., perilous animals) is highly adaptive for all humans. In the present dissertation, I address three research questions; (1) Is information processing of threatening stimuli enhanced in individuals with specific phobias? (2) Are there any differences between the different types of phobia (e.g., spider phobia vs. snake phobia)? (3) Is the frequently reported attentional bias of individuals with specific phobias - which may contribute to an enhancement in information processing – also detectable in a prior entry paradigm? In Experiments 1 to 3 of the present thesis non-anxious control, spider-fearful, snake-fearful, and blood-injection-injury-fearful participants took part in the study. We applied in each experiment a response priming paradigm which has a strong theoretical (cf. rapid-chase theory; Schmidt, Niehaus, & Nagel, 2006; Schmidt, Haberkamp, Veltkamp et al., 2011) as well as empirical background (cf. Schmidt, 2002). We show that information processing in fearful individuals is indeed enhanced for phobic images (i.e., spiders for spider-fearful participants; injuries for blood-injury-injection(BII)-fearful individuals). However, we found marked differences between the different types of phobia. In Experiment 1 and 2 (Chapter 2 and 3), spiders had a strong and specific influence in the group of spider-fearful individuals: Phobic primes entailed the largest priming effects, and phobic targets accelerated responses, both effects indicating speeded response activation by phobic images. In snake-fearful participants (Experiment 1, Chapter 2), this processing enhancement for phobic material was less pronounced and extended to both snake and spider images. In Experiment 3 (Chapter 4), we demonstrated that early information processing for pictures of small injuries is also enhanced in BII-fearful participants, even though BII fear is unique in that BII-fearful individuals show opposite physiological reactions when confronted with the phobic stimulus compared to individuals with animal phobias. These results show that already fast visuomotor responses are further enhanced in spider- and BII-fearful participants. Results give evidence that responses are based on the first feedforward sweep of neuronal activation proceeding through the visuomotor system. I propose that the additional enhancement in spider- and BII-fearful individuals depend on a specific hardwired binding of elementary features belonging to the phobic object in fearful individuals (i.e., effortless recognition of the respective phobic object via hardwired neuronal conjunctions). I suggest that these hardwired conjunctions developed due to long-term perceptual learning processes. We also investigate the frequently reported attentional bias of phobic individuals and showed that this bias is detectable in temporal order judgments using a prior entry paradigm. I assume that perceptual learning processes might also strengthen the attentional bias, for example, by providing a more salient bottom-up signal that draws attention involuntarily. In sum, I conclude that (1) early information processing of threatening stimuli is indeed enhanced in individuals with specific phobias but that (2) differences between divers types of phobia exist (i.e., spider- and BII-fearful participants show enhanced information of the respective phobic object; though, snake-fearful participants show no specific information processing enhancement of snakes); (3) the frequently reported attentional bias of spider-fearful individuals is also detectable in a prior entry paradigm.
Carbonsäuren sind in einer breiten strukturellen Vielfalt aus natürlichen Quellen oder über präparative Wege zugänglich und stellen daher attraktive Ausgangsverbindungen für die Erforschung neuer Reaktionen dar. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Entwicklung nachhaltiger katalytischer Verfahren zur Erschließung neuer Einsatzmöglichkeiten von Carbonsäuren und deren Derivaten. Im Rahmen dieser Arbeit konnte ein rhodiumkatalysiertes Verfahren zur ortho-Acylierung von Carbonsäuren mit Carbonsäureanhydriden entwickelt werden, wodurch ein neuer Zugang zu 2-Acylbenzoesäuren geschaffen wurde. Durch die Kombination mit einem nachfolgenden Protodecarboxylierungsschritt ließen sich dadurch auch Arylketone mit einem definierten Substitutionsmuster synthetisieren. Mit der Weiterentwicklung dieses Verfahrens zu einer Eintopfmethode basierend auf einer C-H-Acylierung / Acylalisierung / Eliminierungskaskade wurde zusätzlich ein neuer Zugang zu 3-Alkylidenphthaliden eröffnet.
Eine alternative Darstellungsmöglichkeit von Arylketonen wurde durch die Entwicklung einer eisenkatalysierten decarboxylierenden Kreuzketonisierung von aromatischen mit aliphatischen Carbonsäuren erreicht. TEM- und STEM-Untersuchungen des Eisenkatalysators nach der Reaktion zeigten, dass dieses Verfahren auch zur Synthese von magnetischen Nanopartikeln genutzt werden kann. Die Weiterentwicklung dieses Verfahrens führte schließlich zu einer effizienten Synthesemethode für monodisperse Maghemit- und Ferrit-Nanokristalle ausgehend von elementaren Metallen.
Zuletzt wurde ein Verfahren zur Aktivierung von Carbonsäuren mittels Isomerisierung von Allylestern zu Enolestern entwickelt. Der dimere Palladium(I)komplex [Pd(μ-Br)P(tBu)3]2 wurde dabei erstmals als geeigneter Katalysator für Doppelbindungsmigrationen identifiziert. Katalysatorbeladungen von bis zu 0.25 mol% reichten bereits aus, um eine vollständige Umsetzung der Allylester zu Enolestern bei sehr milden Temperaturen von bis zu 25 °C zu ermöglichen. Als ein Beispiel für die breite Einsetzbarkeit von Enolestern wurden verzweigte Enolester über eine rhodiumkatalysierte asymmetrische Hydrierung in gesättigte chirale Ester mit hohem Enantiomerenüberschuss überführt. Zusätzlich wurden erste NMR-spektroskopische Untersuchungen und DFT-Berechnungen zur mechanistischen Aufklärung der katalytisch aktiven Spezies aus dem Pd(I)-Dimer angefertigt.
According to the domain specific models of speech perception, speech is supposed to be processed distinctively compared to non-speech. This assumption is supported by many studies dealing with the processing of speech and non-speech stimuli. However, the complexity of both stimulus classes is not matched in most studies, which might be a confounding factor, according to the cue specific models of speech perception. One solution is spectrally rotated speech, which has already been used in a range of fMRI and PET studies. In order to be able to investigate the role of stimulus complexity, vowels, spectrally rotated vowels and a second non-speech condition with two bands of sinusoidal waves, representing the first two formants of the vowels, were used in the present thesis. A detailed description of the creation and the properties of the whole stimulus set are given in Chapter 2 (Experiment 1) of this work. These stimuli were used to investigate the auditory processing of speech and non-speech sounds in a group of dyslexic adults and age matched controls (Experiment 2). The results support the assumption of a general auditory deficit in dyslexia. In order to compare the sensory processing of speech and non-speech in healthy adults on the electrophysiological level, stimuli were also presented within a multifeature oddball paradigm (Experiment 3). Vowels evoked a larger mismatch negativity (MMN) compared to both non-speech stimulus types. The MMN evoked by tones and spectrally rotated tones were compared in Experiment 4, to investigate the role of harmony. No difference in the area of MMN was found, indicating that the results found in Experiment 3 were not moderated by the harmonic structure of the vowels. All results are discussed in the context of the domain and cue specific models of speech perception.
This thesis is devoted to the computational aspects of intersection theory and enumerative geometry. The first results are a Sage package Schubert3 and a Singular library schubert.lib which both provide the key functionality necessary for computations in intersection theory and enumerative geometry. In particular, we describe an alternative method for computations in Schubert calculus via equivariant intersection theory. More concretely, we propose an explicit formula for computing the degree of Fano schemes of linear subspaces on hypersurfaces. As a special case, we also obtain an explicit formula for computing the number of linear subspaces on a general hypersurface when this number is finite. This leads to a much better performance than classical Schubert calculus.
Another result of this thesis is related to the computation of Gromov-Witten invariants. The most powerful method for computing Gromov-Witten invariants is the localization of moduli spaces of stable maps. This method was introduced by Kontsevich in 1995. It allows us to compute Gromov-Witten invariants via Bott's formula. As an insightful application, we computed the numbers of rational curves on general complete intersection Calabi-Yau threefolds in projective spaces up to degree six. The results are all in agreement with predictions made from mirror symmetry.
Anorganisch-organische Hybridmaterialien basierend auf photolumineszierenden Sol-Gel-Vorstufen
(2014)
In den vergangenen Jahrzehnten haben sich periodisch strukturierte Organosilika (PMO) und metallorganische Netzwerke (MOFs) mit poröser Struktur als äußerst vielseitige Materialien mit interessanten physikalischen und chemischen Eigenschaften erwiesen. Neben ihrer Anwendung in der Katalyse und der Gasadsorption wurden verschiedene Hybridmaterialien in jüngerer Vergangenheit auch hinsichtlich Photoumineszenz, Energiekonversion und Halbleitereigenschaften untersucht. Die Bandbreite möglicher Applikationen reicht dabei von Sensoren über Beschichtungen und dekorative Keramiken bis hin zu elektronischen Bauteilen, wie etwa Transistoren (OFETs) und optischen Fasern (POFs). In der vorliegenden Arbeit werden auf Grundlage der bisher bekannten Forschung neue Ansätze zur Darstellung anorganisch-organischer Hybridmaterialien, insbesondere mikro- und mesoporöser Organosilika, vorgestellt. Ausgangspunkt für neuartige PMO und andere organisch modifizierte mesoporöse Silika vom MCM41- oder SBA-15-Typ ist die Synthese der hier erstmals präsenterten Organosilane, welche je nach Verwendungszweck über eine oder mehrere hydrolysierbare Trialkokysilylfunktionen verfügen. Während Alkylsiloxane mit Pyren, Acridon oder Dithien-2-ylphenothiazin als fluoreszierender Endgruppe über „klassische“ organische Synthesewege, wie z. B. die Knüpfung von Amid- und Sulfonamidfunktionen dargestellt werden, lassen sich komplex funktionalisierte Arylsiloxane nicht über die sonst übliche Grignard-Reaktion erhalten. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine dreistufige Reaktionssequenz vorgestellt, mit deren Hilfe stark fluoreszierende, arylenverbrückte Trimethoysilylthiophene in sehr guten bis quantitativen Ausbeuten zugänglich sind. Den ersten Schritt bei der Darstellung der Zielmoleküle bildet die sehr schnelle und effiziente Suzuki- Myaura-Kupplung der Aryliodide oder -bromide mit Thiophen-2-boronsäure in basischen Alkohol/Wasser-Gemischen. Dieser C-C-Verknüpfung folgt die Wohl-Ziegler-Halogenierung der Thienylreste in der C-H-aziden 5-Position mittels N-Brom- oder N-Iodsuccinimid. Die abschließende, Pd(0)-vermittelte Bildung von C-Si-Bindungen, welche bei Einsatz eines Buchwald-Hartwig-Liganden sehr selektiv das gewünschte Arylsiloxan liefert, ermöglicht letztlich die problemlose Aufarbeitung der hydrolyseempfindlichen Produkte. Sowohl bei Verwendung der pyrenhaltigen Organosilane als auch mit den thiophenhaltigen Vorstufen lassen sich in templat-gesteuerten Sol-Gel-Ansätzen keine mesoporösen Materialien erhalten. Ursache dafür ist in den meisten Fällen vermutlich die Aggregationsneigung der recht großen aromatischen Chromophore und ihre damit verbundene schlechte Wasserlöslichkeit. Im Falle der thiophensubstituierten Arene wurde zudem im alkalischen Medium die von Inagaki et al. vorhergesagte Protodesilylierung des Chromophors zum reduzierten Aromaten gefunden. Durch Umesterung der Thienylsiloxane in Triethylenglykol-Monomethylether (TGM) lassen sich jedoch mit Wasser sehr gut mischbare Stammlösungen der Chromophore erzeugen. Mit Hilfe dieser Lösungen sind in niedriger Verdünnung zwar ebenfalls keine geordneten Organosilika zugänglich, allerdings wurden in einer Eintopfreaktion unter Säurekatalyse transparente Xerogele dargestellt, die selbst bei minimalen Farbstoffkonzentrationen von ca. 6 • 10E-6 mol/g intensiv lumineszieren und spezifische BET-Oberflächen von bis zu 360 m2/g besitzen. Die Analyse der CIE-Farbkoordinaten der resultierenden Fluorogele wurde mit Hilfe ihrer Festkörper Fluoreszenzspektren durchgeführt und offenbart, dass die Darstellung nahezu „ideal“ weiß emittierender Organosilika durch Mischung verschieden emittierender Chromophore realisiert werden kann. Ein umgeestertes, silyliertes Derivat des 5,8-Dithien-2-yl-quinoxalins erweist sich zudem als eigenständig weiß photolumineszierendes Molekül, das Licht mit einer Farbtemperatur von ca. 5.500 K nahe der Schwarzkörper-Kurve emittiert. Die hierin vorgestellten amorphen Fluorogele sind insbesondere im Hinblick auf eine „Verglasung“ von Farbstoffen für Beleuchtungsanwendungen von Interesse. Im Gegensatz zu den geschilderten Versuchen zur Darstellung neuartiger PMOs verliefen sowohl die basenkatalysierte Darstellung eines Acridon-haltigen MCM-41-Derivates als auch die NH4F-abhängige Synthese eines phenothiazinhaltigen SBA-15-Analogons bei stark saurem pH erfolgreich. Beide Materialien weisen sowohl hohe spezifische BET-Oberflächen als auch eine geordnete, hexagonale Porenstruktur auf und wurden unter anderem mit Hilfe von Röntgen-Pulverdiffraktometrie (XRD), N2-Physisorptionsmessungen (BET) und Festkörper Kernresonanzspektroskopie (MAS-NMR) charakterisiert. Mit Hilfe unterschiedlicher Additive können die Absorptions- sowie die Fluoreszenzeigenschaften dieser Festkörper reversibel oder irreversibel modifiziert werden. So lässt sich die intensive bläuliche Fluoreszenz des immobilisierten Acridonchromophors durch Komplexbildung der Carbonylfunktion mit stark lewis-aziden Metallsalzen wie Sc(III)- oder Bi(III)triflat bathochrom um Δλ = 20 nm ins Grünliche verschieben. Das phenothiazinhaltige Organokieselgel, in dessen Poren sowohl die Chromophore als auch organische Ammoniumspezies kovalent verankert sind, wird durch Behandlung NOBF4 quasi-reversibel oxidiert, wobei sich paramagnetische, stark farbige Radikalkationen innerhalb des Festkörpers ausbilden. Sowohl die Oxidation als auch die Rereduktion des Materials mit Hilfe von Ascorbinsäure wurden mittels Elektronenspinresonanz- (ESR), Infrarot- (ATR-IR) und Fluoreszenzspektroskopie verfolgt. Aus der Charakterisierung der organischen Chromophore sowie der darauf basierenden Hybridmaterialien ergeben sich Anknüpfungspunkte zu weiteren Verbindungsklassen und deren möglichen Anwendungen. Die zuvor beschriebenen Thienylhalogenide können mit Hilfe einer Heck-Carboalkoxylierung in die entsprechenden n-Alkylester überführt werden. Die Synthese der sich daraus ableitenden MOF-Linker sowie stark fluoreszierender Phosphonate für die Beschichtung von keramischen Oberflächen wurde in einem Kooperationsprojekt mit Frau Dr. E. Keceli bearbeitet und wird im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls beschrieben. Gleiches gilt für die Erforschung der Bandlücken verschiedener thienylierter Phenothiazine, welche als Modellverbindungen für die Entwicklung farbstoffhaltiger organischer UV-Solarzellen (UV-DSCs) dienen könnten. Die hierfür notwendigen Experimente sind Gegenstand einer laufenden Kooperation mit der AG Ziegler (Fachbereich Physik, TU Kaiserslautern). Künftiges Ziel dieser Forschung soll es sein, unter Berücksichtigung der in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse, sowohl Polymere auf Basis p-dotierter Phenothiazine als auch weitere Hybridsilika mit erhöhtem Farbstoffgehalt und verbesserter thermischer und mechanischer Stabilität zu entwicken. Bei der Materialsynthese sollte insbesondere der Einfluss von Parametern wie Präformationszeit, pH-Wert und der Natur der eingesetzten Sol-Gel-Vorstufen näher beleuchtet werden, um ggf. zu einem systematischen Verständnis der Strukturbildung der hierin vorgestellten Organosilika zu gelangen.
Zur Verankerung von Bügelschenkeln im Brandfall mit 90°-Winkelhaken gibt es bisher nur widersprüchliche Aussagen. Während in der kommentierten Fassung des EC2 90°-Winkelhaken als nicht geeignet für Anforderungen größer R90 bezeichnet werden, widerspricht Heft 600 des DAfStB dieser Aussage und erklärt 90°-Winkelhaken für geeignet.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es das Tragverhalten von 90°- und 135°-Winkelhaken, sowohl im gerissenen, als auch im ungerissenen Querschnitt unter Brandbeanspruchung zu untersuchen.
Es konnten signifikante Unterschiede im Tragverhalten gezeigt und Hinweise für die Praxis erarbeitet werden.
We propose a model for acid-mediated tumor invasion involving two different scales: the microscopic one, for the dynamics of intracellular protons and their exchange with their extracellular counterparts, and the macroscopic scale of interactions between tumor cell and normal cell populations, along with the evolution of extracellular protons. We also account for the tactic behavior of cancer cells, the latter being assumed to biase their motion according to a gradient of extracellular protons (following [2,31] we call this pH taxis). A time dependent (and also time delayed) carrying capacity for the tumor cells in response to the effects of acidity is considered as well. The global well posedness of the resulting multiscale model is proved with a regularization and fixed point argument. Numerical simulations are performed in order to illustrate the behavior of the model.
Durch den Einsatz von Hohlkörpern in Stahlbetondecken können Beton, Stahl und folglich Gewicht eingespart werden. Die Materialeinsparung reduziert den Primärenergiebedarf sowie die Treibhausgasemissionen bei der Herstellung. Hierdurch stellen Hohlkörperdecken im Vergleich zu konventionellen Massivdecken eine ressourcenschonendere Bauweise dar. Infolge der deutlich reduzierten Eigenlast und einem im Verhältnis geringeren Steifigkeitsabfall können zudem Decken mit großen Spannweiten realisiert werden.
Die einzelnen Traganteile der Decken werden durch die Hohlkörper grundsätzlich nachteilig beeinflusst. Die Tragfähigkeit von Hohlkörperdecken mit abgeflachten rotationssymmetrischen Hohlkörpern wurde in der vorliegenden Dissertationsschrift im Detail analysiert. Auf Grundlage experimenteller und theoretischer Untersuchungen wurden Bemessungskonzepte für die Biegetragfähigkeit, die Querkrafttragfähigkeit, die Schubkraftübertragung in der Verbundfuge und das lokale Durchstanzen des Deckenspiegels oberhalb der Hohlkörper entwickelt. Unter Berücksichtigung der Bemessungskonzepte können die Hohlkörperdecken auf dem bauaufsichtlich geforderten Sicherheitsniveau hergestellt werden.
Für die Querkrafttragfähigkeit von Stahlbetondecken ohne Querkraftbewehrung steht derzeit kein allgemein anerkanntes mechanisch begründetes Bemessungskonzept zur Verfügung. Der Einfluss der einzelnen Traganteile auf das Versagen wurde experimentell analysiert. Hierzu wurden Versuche mit verlagerter Druckzone sowie mit ausgeschalteter Rissuferverzahnung und mit ausgeschalteter Dübelwirkung durchgeführt. Der rechnerische Einfluss der einzelnen Traganteile an der Gesamttragfähigkeit konnte durch die Nachrechnung von Versuchen zu Hohlkörper- und Installationsdecken unter Verwendung eines bestehenden mechanisch begründeten Rechenmodells visualisiert und verifiziert werden. Hierdurch wird ein Beitrag zum besseren Verständnis der Querkrafttragfähigkeit geleistet.
Edgeworth expansions have been introduced as a generalization of the central limit theorem and allow to investigate the convergence properties of sums of i.i.d. random variables. We consider triangular arrays of lattice random vectors and obtain a valid Edgeworth expansion for this case. The presented results can be used, for example, to study the convergence behavior of lattice models.