„Die Grenzen meiner Sprache bedeuten die Grenzen meiner Welt.“, schrieb der österreichisch-englische Philosoph Ludwig Wittgenstein (1922). Das Beherrschen der Schriftsprache wurde in der neuhumanistischen Bildungstheorie nach Wilhelm von Humboldt (Humboldt & Menze, 1997) in den Mittelpunkt der Bildungsprozesse gestellt. Bildung kann daher nur dann gelingen, wenn die Schriftsprache beherrscht wird. Dabei wird Bildung als eine Art lebenslanges Lernen verstanden, in dem es darum geht, die Funktionsweisen der Gesellschaft und der Welt in der wir leben, zu verstehen und dahingegen zu handeln (Otto, 2007). Mit dem erfolgreichen Schriftspracherwerb und dem sicheren Umgang mit der Schriftsprache ist eine Art Teilhabe am „kulturellen Gedächtnis“ so Assmann (2007) sowie an gegenwärtigen Prozessen. Nicht für alle Kinder verläuft der Erwerb der Schriftsprache ohne Schwierigkeiten. In der ersten PISA-Studie aus dem Jahr 2000 lag der Prozentsatz leseschwacher Kinder in Deutschland bei ca. 24 Prozent (OECD, 2001). Dieser verringerte sich zwar in der PISA-Studie im Jahr 2015 auf rund 16 Prozent (PISA 2015 Results (Volume V), 2017). Die Ergebnisse der aktuellen PISA-Studie sind jedoch ernüchternd. In Bezug auf die Lesekompetenz ist der Anteil der leseschwachen Kinder auf 21 Prozent gestiegen, an Gymnasien sogar auf 29 Prozent (OECD, 2019). Auch Fischbach und Kollegen (Fischbach et al., 2013) fanden bei ihrer Studie im deutschsprachigen Raum heraus, dass 18 Prozent aller Grundschüler1 erhebliche Schwierigkeiten im Lesen und Schreiben aufweisen. Stellen sich erste Schwierigkeiten beim Erlernen des Lesens und Schreibens ein, muss eine zeitige Förderung der betroffenen Kinder an erster Stelle stehen. An diesem Punkt setzt das computerbasierte Trainingsprogramm Lautarium (Klatte, Steinbrink, Bergström, & Lachmann, 2017) an, indem es Lehrern, Eltern, Therapeuten und den betroffenen Kindern ein Werkzeug an die Hand gibt, welches sich bereits in mehreren Studien als wirksam erwiesen hat (einen Überblick bietet Klatte et al., 2017). Entwickelt wurde dieses Programm im Zuge eines Drittmittelprojekts mit dem Schwerpunkt „Entwicklungsstörungen schulischer Fertigkeiten“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Die hier durchgeführte Studie befasst sich mit den Effekten des Trainings mit dem computerbasierten Förderprogramms Lautarium auf die phonologischen und schriftsprachlichen Leistungen von Zweitklässlern mit Lese-Rechtschreibschwierigkeiten. Lautarium basiert auf aktuellen Forschungserkenntnissen zur Bedeutung der phonologischen Verarbeitung für den Schriftspracherwerb und umfasst aufeinander aufbauende Übungen zur Phonemwahrnehmung, phonologischen Bewusstheit und Graphem-Phonem-Zuordnung, zum Lesen und Schreiben lautgetreuer Wörter und zur schnellen Worterkennung. Zwar hat sich das Trainingsprogramm bereits in mehreren Studien als wirksam erwiesen, in der jetzigen Studie wird die Wirksamkeit jedoch erstmals im Rahmen eines randomisierten kontrollierten Designs (randomized controlled trial, RCT, „Goldstandard“ der klinischen Forschung) geprüft (Borah, Moriarty, Crown, & Doshi, 2014; Kaptchuk, 2001). Es wurde zunächst ein klassisches Prätest-Posttest-Follow-up–Design realisiert, um kurz- und langfristige Effekte des Lautarium-Trainings zu erfassen (Studienteil 1: Vortest bis Nachtest 2). Eine Gruppe von Kindern (n= 24) bearbeitete das Lautarium-Training, die andere Gruppe (n= 31) ein computerbasiertes Denktraining (Lenhard, Lenhard & Klauer, 2011). Das Training erfolgte täglich etwa 20 Minuten über mehrere Wochen im Rahmen des differenzierenden Unterrichts. Im Anschluss an den Follow-upTest arbeiteten die Gruppen mit dem jeweils anderen Programm, danach folgte ein weiterer, abschließender Nachtest 3 (Studienteil 2: bis Nachtest 3, n= 44). Studienteil 1 bestätigte signifikante und teilweise anhaltende Effekte des LautariumTrainings auf Untertests zur phonologischen Bewusstheit, zum Lesen und zur Rechtschreibung. Die in früheren Studien gezeigten Effekte ließen sich somit auch im Rahmen eines RCT-Designs replizieren. In Studienteil 2 zeigten sich signifikante Effekte auf die phonologische Bewusstheit. Abschließend werden Potentiale und Grenzen des Einsatzes von Lautarium im differenzierenden Unterricht diskutiert.

Subject of this thesis is the investigation of photo-induced ultrafast elementary processes within the electronic excited-state manifold in mass-selected multinuclear coinage metal complexes (CMCs) in the gas phase. The chief objective is to ascertain how the intramolecular deactivation dynamics and gas phase reactivity are influenced by so-called metallophilic interactions between multiple d^10/d^8 metal centers, which in turn give rise to metal-delocalized electronic transitions. To this end, suitable molecular precursor ions were transferred into the gas phase by electrospray ionization (ESI) and subsequently isolated, activated, and finally analyzed in a Paul-type quadrupole ion trap (QIT) mass spectrometer. The QIT is modified to accept UV/Vis/NIR irradiation from a femtosecond laser setup. By combining several ion trap-based ion activation techniques and electronic photodissociation (PD) spectroscopy, the fragmentation pathways, as well as intrinsic optical properties (electronic PD spectra) of ionic CMCs are explored. In addition, the unconventional time-resolved transient photodissociation (t-PD) method, based on a femtosecond pump-probe excitation scheme, was employed for the first time on CMC ions in isolation, in order to elucidate their intrinsic photodynamics. This thesis mainly comprises five publications, covering the mass spectrometric and laser spectroscopic characterization of multinuclear Ag(I), Au(I), and Pt(II) based ionic complexes.

In recent years, business intelligence applications become more real-time and traditional data warehouse tables become fresher as they are continuously refreshed by streaming ETL jobs within seconds. Besides, a new type of federated system emerged that unifies domain-specific computation engines to address a wide range of complex analytical applications, which needs streaming ETL to migrate data across computation systems. From daily-sales reports to up-to-the-second cross-/up-sell campaign activities, we observed various latency and freshness requirements set in these analytical applications. Hence, streaming ETL jobs with regular batches are not flexible enough to fit in such a mixed workload. Jobs with small batches can cause resource overprovision for queries with low freshness needs while jobs with large batches would starve queries with high freshness needs. Therefore, we argue that ETL jobs should be self-adaptive to varying SLA demands by setting appropriate batches as needed. The major contributions are summarized as follows. • We defined a consistency model for “On-Demand ETL” which addresses correct batches for queries to see consistent states. Furthermore, we proposed an “Incremental ETL Pipeline” which reduces the performance impact of on-demand ETL processing. • A distributed, incremental ETL pipeline (called HBelt) was introduced in distributed warehouse systems. HBelt aims at providing consistent, distributed snapshot maintenance for concurrent table scans across different analytics jobs. • We addressed the elasticity property for incremental ETL pipeline to guarantee that ETL jobs with batches of varying sizes can be finished within strict deadlines. Hence, we proposed Elastic Queue Middleware and HBaqueue which replace memory-based data exchange queues with a scalable distributed store - HBase. • We also implemented lazy maintenance logic in the extraction and the loading phases to make these two phases workload-aware. Besides, we discuss how our “On-Demand ETL” thinking can be exploited in analytic flows running on heterogeneous execution engines.

Das Instandsetzungsprinzip W-Cl bzw. die Instandsetzungsverfahren 7.7 und 8.3 stellen im Vergleich zu konventionellen Instandsetzungsprinzipien technisch und wirtschaftlich interessante Verfahren zur Instandsetzung von chloridbelasteten Betonbauteilen dar. Die Verfahren beruhen auf der Absenkung des Wassergehaltes (W) im Bereich des chloridkontaminierten Betons (Cl), welche durch die Applikation einer Oberflächenschutzbeschichtung erreicht wird. Durch die Beschichtung soll ein intermittierendes Eindringen von Chloriden unterbunden und die Initiierung von Bewehrungskorrosion verhindert werden. Ungeklärte Fragen hinsichtlich der Wirksamkeit der Verfahren und daraus resultierende Anwendungsbeschränkungen in den maßgebenden Regelwerken haben eine praxisgerechte Anwendung der Verfahren bis dato kaum möglich gemacht. Ziel dieser Arbeit war es im Rahmen von grundlegenden Untersuchungen die Mechanismen des Instandsetzungsprinzips W-Cl bzw. der Instandsetzungsverfahren 7.7 und 8.3 besser zu verstehen, um damit einen Beitrag zur Schaffung der erforderlichen Grundlagen für eine breitere Anwendung der Verfahren in der Praxis zu leisten. Im Fokus stand dabei die Entwicklung eines Modells zur Beschreibung der Chloridumverteilung nach Applikation einer Oberflächenschutzbeschichtung. Hierzu wurde zunächst ein mathematisches Modell mit einer in sich geschlossenen analytischen Lösung entwickelt, mit dessen Hilfe die Chloridumverteilung unter Annahme einer vollständigen Wassersättigung des Betons nach Applikation einer systemabdichtenden Oberflächenschutz-beschichtung berechnet werden kann. Daran anknüpfend wurde der Einfluss der infolge der Anwendung des Instandsetzungsprinzips W-Cl bzw. der Instandsetzungsverfahren 7.7 und 8.3 zu erwartenden Austrocknung des Betons auf die Chloridumverteilung im abgedichteten System untersucht. Auf Basis von eigenen Untersuchungen und darauf aufbauenden numerischen Berechnungen wurden materialspezifische Abminderungsfunktionen entwickelt, die die Abhängigkeit des Chloriddiffusionskoeffizienten von der Umgebungsfeuchte beschreiben. Abschließend wurden auf Grundlage einer Parameterstudie allgemeingültige Grenzwerte für Randbedingungen hergeleitet, bis zu denen eine Instandsetzung nach dem Verfahren 7.7 angewendet werden kann, ohne dass im Zuge der Chloridumverteilung der kritische korrosionsauslösende Chloridgehalt auf Höhe der Bewehrung im geplanten Restnutzungszeitraum überschritten wird. Ein Großteil der dieser Arbeit zu Grunde liegenden Untersuchungen erfolgte im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projektes „Anwendungsgrenzen des Instandsetzungsprinzip W-Cl“.

This thesis is concerned with the modeling of the solid-solid phase transformation, such as the martensitic transformation. The allotropes austenite and martensite are important for industry applications. As a result of its ductility, austenite is desired in the bulk, as opposed to martensite, which desired in the near surface region. The phase field method is used to model the phase transformation by minimizing the free energy. It consists of a mechanical part, due to elastic strain and a chemical part, due to the martensitic transformation. The latter is temperature dependent. Therefore, a temperature dependent separation potential is presented here. To accommodate multiple orientation variants, a multivariant phase field model is employed. Using the Khachaturyan approach, the effective material parameters can be used to describe a constitutive model. This however, renders the nodal residual vector and elemental tangent matrix directly dependent on the phase, making a generalization complicated. An easier approach is the use of the Voigt/Taylor homogenization, in which the energy and their derivatives are interpolated creating an interface for material law of the individual phases.

In this dissertation, I will present the studies conducted during my doctoral studies. In spite of a lot of research in the last decades, the complex cognitive processes underlying human memory are not fully unraveled. Furthermore, the development of neuroscientific methods like functional mag-netic resonance imaging (fMRI) and event-related potentials (ERPs) have further build a founda-tion for new insights. Naturally, the utilization of these techniques led to further adaptation of both these techniques and the paradigms in which they have been employed. This can be observed in the research literature on episodic memory retrieval. Familiarity and recollection, have been found to be the chief factors at play during memory retrieval. The two processes have been thoroughly characterized in several studies and reviews (e.g., Mecklinger, 2000; Rugg & Curran, 2007; Yonelinas, 2002; Zimmer & Ecker, 2010), yet there are still open questions that have to be ad-dressed by researchers in this field (c.f., Leynes, Bruett, Krizan, & Veloso, 2017; MacLeod & Donaldson, 2017). In order to answer these questions, we conducted several studies during my doctoral studies. In Study 1, we developed a paradigm to investigated episodic memory using ERPs. In the study phase, pictorial stimuli were presented which at test were either perceptually identical, perceptually changed, or entirely new. Data collected from a sample of young adults revealed that the paradigm was suitable to elicit ERP correlates of both familiarity and recollection. As the newly developed paradigm yielded similar results as existing literature, we then applied this paradigm in two devel-opmental populations, second-graders and fifth-graders. According to the ERPs, the younger chil-dren seemed to rely on recollection alone, whereas ERPs of older children suggested the use of familiarity for perceptually identical items and only after intentional encoding. In a follow-up study two years later, we used the results from both studies to only slightly refine the paradigm, again administering it to young adults. In this study, Study 3, we found that ERP correlates were much smaller than in the earlier studies, hence we used a data-driven approach to detect time windows of interest. In spite of the large body of research on episodic memory, these studies serve to demon-strate that episodic memory is a complex interplay of several contributing cognitive processes which need to assessed carefully in order to unravel the key factors at play during familiarity and recollection.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, eine lokale Version des Programmpakets Turbomole um eine Methode zu erweitern, die die Berechnung elektronischer Anregungsenergien und Übergangsmomente unter Berücksichtigung der Spin-Bahn-Wechselwirkung mit Hilfe quasirelativistischer zeitabhängiger Dichtefunktionaltheorie (TD-DFT) ermöglicht. Dazu wurde ein bereits existierender zweikomponentiger TD-DFT-Ansatz verwendet und so erweitert, dass auch offenschalige Systeme mit gradientenkorrigier ten Funktionalen berechnet werden können. Die gewählte Implementierung ist unabhängig von der zweikomponentigen Methode, die Tatsache, dass die Molekülorbitale in einem quasirelativistischen Formalismus durch zweikomponentige, komplexe Spinoren dargestellt werden, erforderte jedoch die weitestgehende Verwendung komplexer Arithmetik. Des Weiteren wurde das Verhalten des implementierten Austausch-Korrelations-Kernels (XC-Kernel), die Schlüsselgröße der TD-DFT, für kleine Spindichten untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die numerische Berechnung der Matrixelemente des XC-Kernels an Punkten des Integrationsgitters, für die die Spindichte gegen null geht, ihr Gradient hingegen nicht, durchaus problematisch ist und eine Regularisierung des XC-Kernels erfordert. Alternativen zur Regularisierung, wie beispielsweise die Verwendung eines Kernels ohne Gradiententerme oder Modifikationen am Funktional selbst, sind in der Literatur bekannt, im Rahmen dieser Arbeit konnte jedoch ein Ansatz entwickelt werden, der keine Veränderungen am Funktional erfordert und die Verwendung eines Kernels mit Gradientenkorrektur ermöglicht. Dazu wurde das Integrationsgitter in zwei Bereiche, abhängig von der Spindichte und ihrem Gradienten, eingeteilt. In den jeweiligen Bereichen wird nun zur Berechnung der Matrixelemente entweder der XC-Kernel für offen- oder geschlossenschalige Systeme verwendet. Für einen möglichst „glatten“ Übergang zwischen den beiden Bereichen wurde ein weiterer Bereich definiert, in dem ein mit einer Umschaltfunktion gewichteter Mittelwert beider Grenzfälle verwendet wird. Mit dem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Programm ist es nun möglich, basierend auf einer zweikomponentigen Rechnung am offen- oder geschlossenschaligen Grundzustand, TD-DFT-Rechnungen mit gängigen Standarddichtefunktionalen durchzuführen. Da sowohl spinerhaltende als auch spin flip Anregungen berücksichtigt werden, erhält man mit einem Eindeterminantenansatz Informationen, die sonst nur mit Hilfe von deutlich aufwendigeren Mehrdeterminantenansätzen zugänglich sind.

Simplified ODE models describing blood flow rate are governed by the pressure gradient. However, assuming the orientation of the blood flow in a human body correlates to a positive direction, a negative pressure gradient forces the valve to shut, which stops the flow through the valve, hence, the flow rate is zero, whereas the pressure rate is formulated by an ODE. Presence of ODEs together with algebraic constraints and sudden changes of system characterizations yield systems of switched differential-algebraic equations (swDAEs). Alternating dynamics of the heart can be well modelled by means of swDAEs. Moreover, to study pulse wave propagation in arteries and veins, PDE models have been developed. Connection between the heart and vessels leads to coupling PDEs and swDAEs. This model motivates to study PDEs coupled with swDAEs, for which the information exchange happens at PDE boundaries, where swDAE provides boundary conditions to the PDE and PDE outputs serve as inputs to swDAE. Such coupled systems occur, e.g. while modelling power grids using telegrapher’s equations with switches, water flow networks with valves and district heating networks with rapid consumption changes. Solutions of swDAEs might include jumps, Dirac impulses and their derivatives of arbitrary high orders. As outputs of swDAE read as boundary conditions of PDE, a rigorous solution framework for PDE must be developed so that jumps, Dirac impulses and their derivatives are allowed at PDE boundaries and in PDE solutions. This is a wider solution class than solutions of small bounded variation (BV), for instance, used in where nonlinear hyperbolic PDEs are coupled with ODEs. Similarly, in, the solutions to switched linear PDEs with source terms are restricted to the class of BV. However, in the presence of Dirac impulses and their derivatives, BV functions cannot handle the coupled systems including DAEs with index greater than one. Therefore, hyperbolic PDEs coupled with swDAEs with index one will be studied in the BV setting and with swDAEs whose index is greater than one will be investigated in the distributional sense. To this end, the 1D space of piecewise-smooth distributions is extended to a 2D piecewise-smooth distributional solution framework. 2D space of piecewise-smooth distributions allows trace evaluations at boundaries of the PDE. Moreover, a relationship between solutions to coupled system and switched delay DAEs is established. The coupling structure in this thesis forms a rather general framework. In fact, any arbitrary network, where PDEs are represented by edges and (switched) DAEs by nodes, is covered via this structure. Given a network, by rescaling spatial domains which modifies the coefficient matrices by a constant, each PDE can be defined on the same interval which leads to a formulation of a single PDE whose unknown is made up of the unknowns of each PDE that are stacked over each other with a block diagonal coefficient matrix. Likewise, every swDAE is reformulated such that the unknowns are collected above each other and coefficient matrices compose a block diagonal coefficient matrix so that each node in the network is expressed as a single swDAE. The results are illustrated by numerical simulations of the power grid and simplified circulatory system examples. Numerical results for the power grid display the evolution of jumps and Dirac impulses caused by initial and boundary conditions as a result of instant switches. On the other hand, the analysis and numerical results for the simplified circulatory system do not entail a Dirac impulse, for otherwise such an entity would destroy the entire system. Yet jumps in the flow rate in the numerical results can come about due to opening and closure of valves, which suits clinical and physiological findings. Regarding physiological parameters, numerical results obtained in this thesis for the simplified circulatory system agree well with medical data and findings from literature when compared for the validation

Das primäre Ziel der vorliegenden Dissertation war es, vertiefte Kenntnisse über die Luftpermeabilität von ultrahochfesten Betonen (engl. UHPC) zu erlangen. Auf Grundlage von experimentellen Untersuchungen wurden herstellungsbedingte sowie lagerungsbedingte Parameter erforscht, welche die Luftpermeabilität beeinflussen können. Von einem großen Interesse bei diesen Untersuchungen war die Beobachtung der Permeabilitätsänderung über die Zeit an drei UHPC-Mischungen mit verschiedenen Zusammensetzungen bei unterschiedlichem Betonalter (28, 90, 180 und 365 Tage). Darüber hinaus wurden potenzielle Korrelationen zwischen der Permeabilität und anderen Kennwerten des UHPC untersucht. Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein neu an der Technischen Universität Kaiserslautern entwickeltes und validiertes Messverfahren zur Bestimmung des Permeabilitätskoeffizienten ultrahochfester Betone verwendet. Insgesamt zeigten die Untersuchungsergebnisse, dass sowohl die Wärmebehandlung als auch die Wasserlagerung effiziente Maßnahmen zur Permeabilitätsreduktion sind. Die Untersuchungen zum Langzeitverhalten (bis 365 Tagen) deuteten auf einen wesentlichen Zusammenhang zwischen der Permeabilität und der vorgenommenen Nachbehandlung im jungen Betonalter (28 Tage) hin. Darüber hinaus nahm die Permeabilität unter Frost-Tau-Beanspruchung ab, was den hohen Widerstand von UHPC gegenüber solchen Expositionen erklärt. Die hervorragenden Eigenschaften von UHPC eröffnen ein breites Spektrum neuer Anwendungsgebiete. Die sehr niedrige Luftdurchlässigkeit von UHPC ermöglicht dessen Verwendung im Bereich der Vakuumisolationspaneele (VIP). Diese Art der Vakuumdämmung weist ca. 1/5 bis 1/10 der Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu konventionellen Dämmungen auf, bei gleichzeitig sehr geringer Dicke (2 – 3 cm). Infolge des im Paneel erzeugten Vakuums wird der Wärmetransport durch Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung wesentlich behindert. Auf der Grundlage der aus den experimentellen Untersuchungen gewonnenen Permeabilitätswerte wurde eine kritische Beurteilung der Anwendbarkeit von UHPC als vakuumisoliertes Element vorgenommen.

We study a multi-scale model for growth of malignant gliomas in the human brain. Interactions of individual glioma cells with their environment determine the gross tumor shape. We connect models on different time and length scales to derive a practical description of tumor growth that takes these microscopic interactions into account. From a simple subcellular model for haptotactic interactions of glioma cells with the white matter we derive a microscopic particle system, which leads to a meso-scale model for the distribution of particles, and finally to a macroscopic description of the cell density. The main body of this work is dedicated to the development and study of numerical methods adequate for the meso-scale transport model and its transition to the macroscopic limit.

The famous Mather-Yau theorem in singularity theory yields a bijection of isomorphy classes of germs of isolated hypersurface singularities and their respective Tjurina algebras. This result has been generalized by T. Gaffney and H. Hauser to singularities of isolated singularity type. Due to the fact that both results do not have a constructive proof, it is the objective of this thesis to extract explicit information about hypersurface singularities from their Tjurina algebras. First we generalize the result by Gaffney-Hauser to germs of hypersurface singularities, which are strongly Euler-homogeneous at the origin. Afterwards we investigate the Lie algebra structure of the module of logarithmic derivations of Tjurina algebra while considering the theory of graded analytic algebras by G. Scheja and H. Wiebe. We use the aforementioned theory to show that germs of hypersurface singularities with positively graded Tjurina algebras are strongly Euler-homogeneous at the origin. We deduce the classification of hypersurface singularities with Stanley-Reisner Tjurina ideals. The notion of freeness and holonomicity play an important role in the investigation of properties of the aforementioned singularities. Both notions have been introduced by K. Saito in 1980. We show that hypersurface singularities with Stanley--Reisner Tjurina ideals are holonomic and have a free singular locus. Furthermore, we present a Las Vegas algorithm, which decides whether a given zero-dimensional \(\mathbb{C}\)-algebra is the Tjurina algebra of a quasi-homogeneous isolated hypersurface singularity. The algorithm is implemented in the computer algebra system OSCAR.

Aufgrund der Endlichkeit fossiler Energieträger gewinnen erneuerbare Energien wie Solarenergie zukünftig immer mehr an Bedeutung. Zum einen kann die solare Strah-lung mittels Photovoltaik direkt in elektrischen Strom ungewandelt werden, zum ande-ren kann die Wärme infolge der Sonnenstrahlung in solarthermischen Kraftwerken genutzt werden. Dabei wird die Strahlung punktförmig (Heliostatenkraftwerk) oder li-nienförmig (Parabolrinnenkraftwerk) auf einen Receiver reflektiert. Bei Rinnenkraft-werken ist dieser mit einem thermischen Öl gefüllt, welches erwärmt wird. Der dabei entstehende Dampf wird in einem angehängten industriellen Prozess zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt. Allerdings bestehen diese Rinnensysteme überwie-gend aus aufwendigen, kleinteiligen Stahlfachwerken, deren Montage kostenintensiv ist. Die Standorte solcher Rinnenkraftwerke liegen meist in Wüstenregionen, die korrosive Umgebungsbedingungen für den Stahl aufweisen können. Zudem müssen bei der Er-richtung einer Kraftwerksanlage alle notwendigen Fachwerkelemente über längere Distanzen zu den oftmals abgelegenen Standorten transportiert werden. Für eine effizientere Auslegung solcher Parabolrinnensysteme entstand die Idee einer optimierten Systemstruktur aus Hochleistungsbeton. Das neuartige Konzept umfasst sowohl eine filigrane Tragstruktur für eine effektive Rinnenherstellung direkt am Aufstel-lungsort, als auch eine geometrische Optimierung, die eine effiziente Sonnennachver-folgung der dünnwandigen Betonschale sicherstellt. Hierfür wurden spezielle Verzah-nungen aus Hochleistungsbeton entwickelt, die in einem direkten Reibkontakt zueinan-der stehen. Dieser verursacht infolge der Sonnennachverfolgung Reibung und Ver-schleiß an den Verzahnungen. Ziel dieser Arbeit ist sowohl die Auslegung als auch die Untersuchung des Abrieb- und Verschleißverhaltens von Verzahnungen aus Hochleistungsbeton für Parabolrinnen. Weitere Anwendungsgebiete bei denen hohe Kräfte bei kleinen Drehzahlen übertragen werden müssen sind denkbar (z. B. bei Zahnrädern für Schleusentore). Zuerst werden die theoretischen Grundlagen im Bereich von Parabolrinnensystemen wiedergegeben sowie Erkentnisse über die Verschleißmechanismen bei direktem Reib-kontakt von Betonoberflächen erläutert. Mit der detaillierten Darstellung zur Konstrukti-on und Bemessung von gängigen Maschinenbauverzahnungen wird, für eine optimale Zahnradauslegung, eine interdisziplinäre Wissensverknüpfung geschaffen. In ausge-wählten experimentellen Reibversuchen an Betonplatten sollen genaue Aufschlüsse über das Abriebverhalten des verwendeten Hochleistungsbetons geschaffen werden, welche letztendlich zu einer Auslegung von Verzahnungen aus Hochleistungsbeton führen. Diese Auslegung wird durch FE-Simulationen ergänzt, die Informationen zu den Schwindverformungen der Verzahnung und den auftretenden Spannungen berücksich-tigen. Abschließend wird anhand eines Großdemonstrators die generelle Umsetzbarkeit eines Parabolrinnensystems mit einer Verzahnung aus Hochleistungsbeton gezeigt.

In the avionics domain, “ultra-reliability” refers to the practice of ensuring quantifiably negligible residual failure rates in the presence of transient and permanent hardware faults. If autonomous Cyber- Physical Systems (CPS) in other domains, e.g., autonomous vehicles, drones, and industrial automation systems, are to permeate our everyday life in the not so distant future, then they also need to become ultra-reliable. However, the rigorous reliability engineering and analysis practices used in the avionics domain are expensive and time consuming, and cannot be transferred to most other CPS domains. The increasing adoption of faster and cheaper, but less reliable, Commercial Off-The-Shelf (COTS) hardware is also an impediment in this regard. Motivated by the goal of ultra-reliable CPS, this dissertation shows how to soundly analyze the reliability of COTS-based implementations of actively replicated Networked Control Systems (NCSs)—which are key building blocks of modern CPS—in the presence of transient hard- ware faults. When an NCS is deployed over field buses such as the Controller Area Network (CAN), transient faults are known to cause host crashes, network retransmissions, and incorrect computations. In addition, when an NCS is deployed over point-to-point networks such as Ethernet, even Byzantine errors (i.e., inconsistent broadcast transmissions) are possible. The analyses proposed in this dissertation account for NCS failures due to each of these error categories, and consider NCS failures in both time and value domains. The analyses are also provably free of reliability anomalies. Such anomalies are problematic because they can result in unsound failure rate estimates, which might lead us to believe that a system is safer than it actually is. Specifically, this dissertation makes four main contributions. (1) To reduce the failure rate of NCSs in the presence of Byzantine errors, we present a hard real-time design of a Byzantine Fault Tolerance (BFT) protocol for Ethernet-based systems. (2) We then propose a quantitative reliability analysis of the presented design in the presence of transient faults. (3) Next, we propose a similar analysis to upper-bound the failure probability of an actively replicated CAN-based NCS. (4) Finally, to upper-bound the long-term failure rate of the NCS more accurately, we propose analyses that take into account the temporal robustness properties of an NCS expressed as weakly-hard constraints. By design, our analyses can be applied in the context of full-system analyses. For instance, to certify a system consisting of multiple actively replicated NCSs deployed over a BFT atomic broadcast layer, the upper bounds on the failure rates of each NCS and the atomic broadcast layer can be composed using the sum-of-failure-rates model.

Das Kniegelenk ist mitunter die am häufigsten betroffene Struktur bei Sportverletzungen, deren Auswirkungen nachhaltig die sportliche Leistung beeinträchtigen können. Für eine dynamische Kniestabilität sind neben einer kräftigen kniegelenksumgreifenden und hüftumgebenden Muskulatur eine optimale Oberkörperstabilität erforderlich, da eine erhöhte laterale Oberkörperneigung in erhöhten Knieabduktionswinkeln und -momenten resultieren kann. Die Hüftmuskulatur agiert als Bindeglied zwischen Oberkörper und unteren Extremitäten, beeinflusst die mechanische Kopplung und kann bei einer Schwäche in einer Veränderung des Schwerelots mit einhergehender Instabilität resultieren. Weiterhin beeinflusst die neuromuskuläre Kontrolle die Gesamtstabilität bei sportlichen Bewegungen, wobei die Ko-Kontraktion der ventralen und dorsalen Oberkörperseite in diesem Zusammenhang noch nicht untersucht wurde. Mit der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag zur Aufklärung der Kniestabilität bei verletzungsrelevanten Bewegungen unter systematischer Variation von Belastungsstufen geleistet sowie ein besseres Verständnis der mechanischen Kopplung mit Implikationen zu geeigneten Screening-Verfahren und Trainingsinterventionen erlangt werden. Forschungsdefizite aufgreifend, wurde eine 3D Bewegungsanalyse bei sportlich Aktiven und Judoka konzipiert, die (a) die Erfassung kinematischer, kinetischer und elektromyographischer Indikatoren integrierte, (b) die untere Extremität und den Oberkörper einbezog und die (c) verschiedene repräsentative Bewegungsaufgaben beinhaltete und systematisch variierte: Landungen und Sprünge, ein- und beidbeinig, vertikal und lateral, stabiler und instabiler Untergrund sowie dabei jeweils systematische Variation der Fall- bzw. Sprungdistanz. Daraus ergaben sich zwei zentrale Forschungsgegenstände: 1. Biomechanische Belastungsstruktur, Sprungleistung und neuromuskuläre Aktivierung im Oberkörper bei verschiedenen Sprung- und Landungsaufgaben. 2. Zusammenhänge der dynamischen Kniegelenksstabilität mit Oberkörperkinematik und neuromuskulärer Aktivität im Oberkörper – Hüftkinematik und Hüftkinetik. Die biomechanischen Belastungsindikatoren unterschieden sich zwischen den verschiedenen, repräsentativen Bewegungsaufgaben beträchtlich. Dabei zeigten der einbeinige Drop Jump (DJ) und der Side Jump (SJ) besonders ausgeprägte Belastungsindikatoren. Des Weiteren stiegen die Belastungsindikatoren mit zunehmender Belastung (Fallhöhe- bzw. Sprungweite) an. Die Untergrundbedingung, das Geschlecht und die Sportart spielten eine untergeordnete Rolle. Zur Vorhersage der Kniestabilität eigneten sich die laterale Oberkörperneigung, das Hüftabduktionsmoment und die Hüftinnenrotation. Insbesondere die Hüftinnenrotation konnte als stärkster Prädiktor identifiziert werden. Eine hohe Hüftkraft ging mit schwächeren Zusammenhängen zwischen Knieabduktionsmoment und Knieabduktion einher. Non-lineare interaktive Prädiktoreffekte unterschieden sich zum einen zwischen den Bewegungsaufgaben und zeigten zum anderen einen hohen eigenen Aufklärungsbeitrag für die laterale Oberkörperneigung, wenn diese mit der Kniekinematik und Hüftinnenrotation zur kategorialen Zuordnung des Knieabduktionsmoments und der Knierotation untersucht wurde. Die Ko-Kontraktion im Oberkörper konnte als weiterer Indikator der Oberkörperkontrolle miteinbezogen werden. Die unilateralen DJs und SJs, welche unterschiedliche Belastungsmuster typischer sportlicher Aktionen abbilden, wiesen unterschiedliche Belastungscharakteristika auf. Deshalb empfiehlt es sich beide Tests mit Variation der Fallhöhen bzw. Sprungweiten auf stabilem Untergrund in ein Screening-Verfahren unter Einbezug der Oberkörperkontrolle (Kinematik, Ko-Kontraktion) aufzunehmen. Die Oberkörperkontrolle sollte als Prädiktor der Kniestabilität non-linear und in Verbindung mit der Kniekinematik und Hüftrotation untersucht werden. Weiterhin sollte die Hüftkraft in zukünftigen Studien zur Kniestabilität und in Trainingsinterventionen einbezogen werden.

Polychlorierte Biphenyle (PCBs) zählen aufgrund ihrer chemischen Stabilität sowie der toxischen Eigenschaften zu den persistenten organischen Schadstoffen. Im Gegensatz zu den dioxinartigen PCBs ist über die nicht-dioxinartigen (NDL) Verbindungen jedoch nur wenig bekannt. Ihre Wirkung wurde entsprechend jener von Phenobarbital bisher vorwiegend auf eine Aktivierung des konstitutiven Androstan-Rezeptors (CAR) zurückgeführt und mit den fremdstoffmetabolisierenden Enzymen CYP2B1 und CYP3A1 assoziiert. Da zwischen dem CAR und dem Pregnan-X-Rezeptor (PXR), welcher vor allem mit der Induktion von CYP3A-Isoenzymen in Verbindung gebracht wird, jedoch ein komplexer Crosstalk besteht, sollte in primären Rattenhepatozyten anhand spezifischer siRNAs zunächst analysiert werden, ob die ausgewählten, hoch aufgereinigten NDL-PCBs 28, 52, 101, 138, 153 und 180 ihre Effekte hinsichtlich einer Induktion fremdstoffmetabolisierender Enzyme auch über den PXR entfalten. Anschließend sollten die Effekte der NDL-PCBs mit jenen des CAR-Aktivators Phenobarbital sowie mit dem PXR-Agonisten Dexamethason verglichen werden. Die im Rahmen dieser Arbeit detektierte Induktion von CYP2B1 und CYP3A1 durch Phenobarbital wird hierbei vornehmlich über den CAR vermittelt, während dem PXR für diese Induktionen bestenfalls eine geringe Rolle zugesprochen werden kann. Die CYP3A1-Expression durch Dexamethason wird dagegen erwartungsgemäß über den Pregnan-X-Rezeptor reguliert. Die durch die NDL-PCBs vermittelte Expression von CYP2B1 wird wiederum ähnlich wie bei Phenobarbital über den CAR reguliert, jedoch scheinen sich die NDL-PCBs in Bezug auf die CYP3A1-Expression von einer klassischen Induktion vom Phenobarbital-Typ abzugrenzen. So fällt die CYP3A1-Expression durch die NDL-PCBs im Vergleich zu jener von Phenobarbital signifikant höher aus und wird im Falle der NDL-PCBs zwar ebenfalls zum Großteil über den CAR reguliert, allerdings wird diese Induktion im Gegensatz zu Phenobarbital zum Teil auch über den PXR vermittelt. Das Induktionsvermögen der jeweiligen NDL-PCBs konnte hierbei weitgehend mit ihrem Chlorierungsgrad bzw. der zugehörigen Hydrophobizität in Verbindung gebracht werden. Zudem vermag der PXR die CAR-regulierte CYP2B1- und CYP3A1-Expression durch Phenobarbital sowie die NDL-PCBs effektiv zu stören, wohingegen der CAR keinen solch starken Einfluss auf die PXR-vermittelte CYP3A1-Expression durch Dexamethason zu besitzen scheint. Da viele Induktoren fremdstoffmetabolisierender Enzyme nachweislich auch als potente Tumor-promotoren in der Rattenleber fungieren, allerdings die NDL-PCBs und gerade solche Substanzen, die spezifisch den PXR aktivieren, in Bezug auf ihre tumorigenen Eigenschaften bisher nur unzureichend charakterisiert sind, wurden weiterhin die antiapoptotischen Eigenschaften der NDL-PCBs untersucht. Hierbei konnte sowohl für die NDL-PCBs als auch für Phenobarbital und Dexamethason ein hemmender Einfluss auf die UV-induzierte Apoptose in primären Rattenhepatozyten beobachtet werden, wobei der überwiegende Teil der NDL-PCB-bedingten Apoptoseinhibition wieder dem CAR zugesprochen werden kann. Im Gegensatz zu Phenobarbital, dessen Wirkung ausschließlich über den CAR reguliert wird, leistet jedoch auch der PXR bei den NDL-PCBs wieder einen Beitrag zu deren antiapoptotischen Effekten. Sowohl bei der NDL-PCB-bedingten Apoptosehemmung als auch bei der Induktion von CYP3A1 sind CAR und PXR demnach im jeweils gleichen Verhältnis beteiligt. Obwohl der PXR jedoch die über CAR regulierte CYP2B1- und CYP3A1-Expression effektiv inhibiert, trat dieser Effekt hingegen nicht bei der CAR-vermittelten Hemmung der Apoptose auf. Dies legt wiederum den Schluss nahe, dass zwischen der NDL-PCB-bedingten Apoptosehemmung und der Induktion fremdstoffmetabolisierender Enzyme keine hinreichende Korrelation besteht. Während für den Menschen bisher kein erhöhtes Lebertumorrisiko infolge einer chronischen Exposition gegenüber Phenobarbital gefunden werden konnte, konnte für den PXR-Agonisten Dexamethason dagegen auch ein Einfluss auf die Apoptose in humanen Hepatozyten nachgewiesen werden. In Anbetracht dessen, dass auch der PXR mit der NDL-PCB-bedingten Apoptosehemmung in Verbindung gebracht wird, muss auch ein möglicher Einfluss der nicht-dioxinartigen PCBs auf die Kanzerogenese beim Menschen in Betracht gezogen werden.

In this dissertation we treat several problems from mathematical physics via methods from functional analysis and probability theory and in particular operator semigroups. The thesis consists thematically of two parts. In the first part we consider so-called generalized stochastic Hamiltonian systems. These are generalizations of Langevin dynamics which describe interacting particles moving in a surrounding medium. From a mathematical point of view these systems are stochastic differential equations with a degenerated diffusion coefficient. We construct weak solutions of these equations via the corresponding martingale problem. Therefore, we prove essential m-dissipativity of the degenerated and non-sectorial It\^{o} differential operator. Further, we apply results from the analytic and probabilistic potential theory to obtain an associated Markov process. Afterwards we show our main result, the convergence in law of the positions of the particles in the overdamped regime, the so-called overdamped limit, to a distorted Brownian motion. To this end, we show convergence of the associated operator semigroups in the framework of Kuwae-Shioya. Further, we established a tightness result for the approximations which proves together with the convergence of the semigroups weak convergence of the laws. In the second part we deal with problems from infinite dimensional Analysis. Three different issues are considered. The first one is an improvement of a characterization theorem of the so-called regular test functions and distribution of White noise analysis. As an application we analyze a stochastic transport equation in terms of regularity of its solution in the space of regular distributions. The last two problems are from the field of relativistic quantum field theory. In the first one the $ (\Phi)_3^4 $-model of quantum field theory is under consideration. We show that the Schwinger functions of this model have a representation as the moments of a positive Hida distribution from White noise analysis. In the last chapter we construct a non-trivial relativistic quantum field in arbitrary space-time dimension. The field is given via Schwinger functions. For these which we establish all axioms of Osterwalder and Schrader. This yields via the reconstruction theorem of Osterwalder and Schrader a unique relativistic quantum field. The Schwinger functions are given as the moments of a non-Gaussian measure on the space of tempered distributions. We obtain the measure as a superposition of Gaussian measures. In particular, this measure is itself non-Gaussian, which implies that the field under consideration is not a generalized free field.

In today’s world, mobile communication has become one of the most widely used technologies corroborated by growing number of mobile subscriptions and extensive usage of mobile multimedia services. It is a key challenge for the network operators to accommodate such large number of users and high traffic volume. Further, several day-to-day scenarios such as public transportation, public events etc., are now characterized with high mobile data usage. A large number of users avail cellular services in such situations posing high load to the respective base stations. This results in increased number of dropped connections, blocking of new access attempts and blocking of handovers (HO). The users in such system will thus be subjected to poor Quality of Experience (QoE). Beforehand knowledge of the changing data traffic dynamics associated with such practical situations will assist in designing radio resource management schemes aiming to ease the forthcoming congestion situations. The key hypothesis of this thesis is that consideration and utilization of additional context information regarding user, network and his environment is valuable in designing such smart Radio Resource Management(RRM) schemes. Methods are developed to predict the user cell transitions, considering the fact that mobility of the users is not purely random but rather direction oriented. This is particularly used in case of traffic dense moving network or group of users moving jointly in the same vehicle (e.g., bus, train, etc.) to predict the propagation of high load situation among cells well in advance. This enables a proactive triggering of load balancing (LB) in cells anticipating the arrival of high load situation and accommodating the incoming user group or moving network. The evaluated KPIs such as blocked access attempts, dropped connections and blocked HO are reduced. Further, everyday scenario of dynamic crowd formation is considered as another potential case of high load situation. In real world scenarios such as open air festivals, shopping malls, stadiums or public events, several mobile users gather to form a crowd. This poses high load situation to the respective serving base station at the site of crowd formation, thereby leading to congestion. As a consequence, mobile users are subjected to poor QoE due to high dropping and blocking rates. A framework to predict crowd formation in a cell is developed based on coalition of user cell transition prediction, cluster detection and trajectory prediction. This framework is suitably used to prompt context aware load balancing mechanism and activate a small cell at the probable site of crowd formation. Simulations show that proactive LB reduces the dropping of users (23%), blocking of users (10%) and blocked HO (15%). In addition, activation of a Small Cell (SC) at the site of frequent crowd formation leads to further reductions in dropping of users (60%), blocking of users (56%) and blocked HO (59%). Similar to the framework for crowd formation prediction, a concept is developed for predicting vehicular traffic jams. Many vehicular users avail broadband cellular services on a daily basis while traveling. The density of such vehicular users change dynamically in a cell and at certain sites (e.g. signal lights), traffic jams arise frequently leading to a high load situation at respective serving base station. A traffic prediction algorithm is developed from cellular network perspective as a coalition strategy consisting of schemes to predict user cell transition, vehicular cluster/moving network detection, user velocity monitoring etc. The traffic status indication provided by the algorithm is then used to trigger LB and activate/deactivate a small cell suitably. The evaluated KPIs such as blocked access attempts, dropped connections and blocked HO are reduced by approximately 10%, 18% and 18%, respectively due to LB. In addition, switching ON of SC reduces blocked access attempts, dropped connections and blocked HO by circa 42%, 82% and 81%, respectively. Amidst increasing number of connected devices and traffic volume, another key issue for today’s network is to provide uniform service quality despite high mobility. Further, urban scenarios are often characterized by coverage holes which hinder service continuity. A context aware resource allocation scheme is proposed which uses enhanced mobility prediction to facilitate service continuity. Mobility prediction takes into account additional information about the user’s origin and possible destination to predict next road segment. If a coverage hole is anticipated in upcoming road, then additional resources are allocated to respective user and data is buffered suitably. The buffered data is used when the user is in a coverage hole to improve service continuity. Simulation shows improvement in throughput (in coverage hole) by circa 80% and service interruption is reduced by around 90%, for a non-real-time streaming service. Additionally, investigation of context aware procedures is carried out with a focus on user mobility, to find commonalities among different procedures and a general framework is proposed to support mobility context awareness. The new information and interfaces which are required from various entities (e.g., vehicular infrastructure) are discussed as well. Device-to-Device (D2D) communications commonly refer to the technology that enables direct communication between devices, hence relieving the base station from traffic routing. Thus, D2D communication is a feasible solution in crowded situations, where users in proximity requesting to communicate with one another could be granted D2D links for communication, thereby easing the traffic load to serving base station. D2D links can potentially reuse the radio resources from cellular users (known as D2D underlay) leading to better spectral utilization. However, the mutual interference can hinder system performance. For instance, if D2D links are reusing cellular uplink resources then D2D transmissions cause interference to cellular uplink at base station. Whereas, cellular transmissions cause interference to D2D receivers. To cope up with such issues, location aware resource allocation schemes are proposed for D2D communication. The key aim of such RA scheme is to reuse resources with minimal interference. The RA scheme based on virtual sectoring of a cell leads to approximately 15% more established links and 25% more capacity with respect to a random resource allocation. D2D transmissions cause significant interference to cellular links with which they reuse physical resource blocks, thereby hindering cellular performance. Regulating D2D transmissions to mitigate the aforementioned problem would mean sub-optimal exploitation of D2D communications. As a solution, post-resource allocation power control at cellular users is proposed. Three schemes namely interference aware power control, blind power control and threshold based power control are discussed. Simulation results show reductions in dropping of cellular users due to interference from D2D transmissions, improvement in throughput at base station (uplink) while not hindering the D2D performance.

The number of sequenced genomes increases rapidly due to the development of faster, better and new technologies. Thus, there is a great interest in automation, and standardization of the subsequent processing and analysis stages of the generated enormous amount of data. In the current work, genomes of clones, strains and species of Streptococcus were compared, which were sequenced, annotated and analysed with several technologies and methods. For sequencing, the 454- and Illumina-technology were used. The assembly of the genomes mainly was performed by the gsAssembler (Newbler) of Roche, the annotation was performed by the annotation pipeline RAST, the transfer tool RATT or manually. Concerning analysis, sets of deduced proteins of several genomes were compared to each other and common components, the so-called core-genome, of the used genomes of one or closely related species determined. Detailed comparative analysis was performed for the genomes of isolates of two clones to gather single nucleotide variants (SNV) within genes. This work focusses on the pathogenic organism Streptococcus pneumoniae. This species is a paradigm for transformability, virulence and pathogenicity as well as resistance mechanisms against antibiotics. Its close relatives S. mitis, S. pseudopneumoniae and S. oralis have no pathogenicity potential as high as S. pneumoniae available and are thus of high interest to understand the evolution of S. pneumoniae. Strains of two S. pneumoniae clones were chosen. One is the ST10523 clone, which is associated with patients with cystic fibrosis and is characterized by long-term persistence. This clone is lacking an active hyaluronidase, which is one of the main virulence factors. The lack of two phage clusters possibly contributed to the long persistence in the human host. The clone ST226 shows a high penicillin resistance but interestingly one strain is sensitive against penicillin. Here it could be seen that the penicillin resistance mainly arose from the presence of mosaic-PBPs, while special alleles of MurM and CiaH - both genes are associated with penicillin-resistance – were present in resistant and sensitive strains as well. Penicillin resistance of S. pneumoniae is the result of horizontal gene transfer, where DNA of closely related species, mainly S. mitis or S. oralis, served as donor. The transfer of DNA from the high-level penicillin-resistant strain S. oralis Uo5 to the sensitive strain S. pneumoniae R6 was intentioned to reveal the amount of transferred DNA and whether it is possible to reach the high resistance level of S. oralis Uo5. Altogether, about 19kb of S. oralis DNA were transferred after three successive transformation steps, about 10-fold less than during transfer from S. mitis, which is more closely related to S. pneumoniae, as donor. MurE was identified as new resistance determinant. Since the resistance level of the donor strain could not be reached, it is assumed, that further unknown factors are present which contribute to penicillin resistance. The comparison of S. pneumoniae and its close relatives was performed using deduced protein sequences. 1.041 homologous proteins are common to the four complete genomes of S. pneumoniae R6, S. pseudopneumoniae IS7493, S. mitis B6 and S. oralis Uo5. Most of the virulence and pathogenicity factors described for S. pneumoniae could also be found in commensal species. These observations were confirmed by further investigations by Kilian et al. (Kilian, et al., 2019). After adding 26 complete S. pneumoniae genomes to the analysis, only 104 gene products could be identified as specific for this species. Investigations of a larger number of related streptococci, which were isolated from human and several primates, confirmed the presence of most of the virulence factors of human pneumococci in S. oralis and S. mitis strains from primates. While NanBC is common among S. pneumoniae and is missing in all S. oralis, all S. oralis contain a ß-N-acetyl-hexosaminidase which vice versa is missing in S. pneumoniae. The occurrence of S. oralis also in free-living chimpanzees suggests the assumption, that this species is part of the commensal flora of these Old-World monkeys unlike S. pneumoniae which has evolved with its human host. Compared to S. pneumoniae, S. oralis shows an amazing variability in factors important for biosynthesis of peptidoglycan and teichoic acid (PBP, MurMN, lic-cluster). Some streptococci contain a second PGP3 homologue. Additional analyses with further isolates, especially of wild animals, are necessary to determine host-specific components.

In dieser Arbeit wurden für die kationische Funktionalisierung des mesoporösen Kieselgels vier Trimethoxysilylpropylpyridiniumiodid-, drei Triethoxysilylpropylimidazolium-Derivate und Triethoxysilylpropylimidazol in mäßigen bis sehr guten Ausbeuten synthetisiert. Diese Alkoxysilane wurden jeweils auf die zuvor synthetisierte mesoporöse Materialoberfläche von SBA 15 kondensiert. Dabei wurden Beladungen zwischen 0.46 und 0.87 mmol/g und BET-Oberflächen zwischen 274 und 579 m2/g erhalten. Das zwitterionische Imidazoliumderivat wurde zusätzlich in der Materialsynthese mittels Cokondensation getestet. Dabei wurde eine ähnliche Beladung von 1.03 mmol/g, aber größere Materialparameter (BET-Oberfläche, mittlerer Porenradius) als bei dem durch Grafting funktionalisierten Material erhalten, wobei ebenfalls die 2D-hexagonale Struktur ausgebildet wurde. Für den Ionenaustausch des Iodidanions auf dem kationisch funktionalisierten Material gegen verschiedene Sulfonate wurden Natrium-N-phenothiazinylpropansulfonat und Natrium-N-acridonylpropansulfonat synthetisiert. Das Verhältnis zwischen kondensierten Kationen und N-Phenothiazinylpropansulfonat liegt zwischen 1:0.66 und 1:0.95 und bei N-Acridonylpropansulfonat zwischen 1:0.35 und 1:0.95. Die Materialparameter waren vergleichbar mit denen der Iodid-haltigen Materialien. Der Ionenaustausch zum Methantrisulfonat-funktionalisierten Material erfolgte ausgehend von Methantrisulfonsäure. Das ermittelte Kationen-Anionen-Verhältnis von 3:1 zeigt, dass die eingesetzte Methantrisulfonsäure dabei vollständig deprotoniert wurde. Bei der jeweiligen Funktionalisierung blieb die 2D-hexagonale Struktur des mesoporösen Kieselgels erhalten. Die Phenothiazinyl-haltigen Materialien konnten mit Nitrosyltetrafluoroborat und das Methylpyridinium-haltige Material zusätzlich exemplarisch mit Antimonpentachlorid oxidiert werden. Die oxidierten Materialien zeigen ein intensives ESR-Signal mit einem giso-Wert von 2.007 und intensive Banden der Radikalspezies im UV/Vis-Spektrum. Durch die Oxidation wurde das Silikagerüst angegriffen, aber die mesoporöse Struktur blieb erhalten. Die Umsetzung mit Iod führte nicht zu einem radikalhaltigen Material. Mit einem Überschuss wässriger Wasserstoffperoxid-Lösung konnten die oxidierten diamagnetischen Spezies des N-Phenothiazinylpropansulfonats und mit einem Unterschuss an Nitrosyltetrafluoroborat die Radikalspezies des Dibrom- und N-Phenothiazinylpropan-sulfonats synthetisiert werden.

Die automatisierte Faserablage bietet ein hohes Potenzial zur individuellen Herstellung belastungsgerechter, kontinuierlich faserverstärkter Verbundwerkstoffe, wodurch diese Fertigungstechnologie zur Herstellung thermoplastischer Hochleistungsverbundbauteile immer mehr in den Fokus aktueller Entwicklungen rückt. Hierbei beschränkt sich diese Technologie derzeit hauptsächlich auf die Verarbeitung von vollimprägnierten und -konsolidierten Halbzeugen (Tapes). Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neu konzeptionierte Prozesskette, basierend auf der Kombination trockener Rovings (GF) und Polymerpulver (PC/PBT) zu thermoplastischen Pulver-Towpregs, deren anschließender, automatisierter Faserablage zu vorimprägnierten Preforms und der Direktimprägnierung im variothermen Pressprozess, durchlaufen. Mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung wurden die Prozessschritte der Faserablage und des variothermen Pressprozesses methodisch untersucht. Die daraus resultierenden Ergebnisse liefern ein grundlegendes Prozessverständnis der einzelnen Prozessschritte hinsichtlich der Imprägniermechanismen und -fortschritte. Es konnte gezeigt werden, dass im Tapelegeprozess maßgeblich eine Makroimprägnierung der Faserstruktur erreicht wird, welche auch den nachfolgenden Pressprozess signifikant beeinflusst. Die Ergebnisse dieser Arbeit bilden somit die Grundlage zu Verständnis und Anwendung der neuen Prozesskette, sowie der Einstellung und Bewertung der Prozessparameter zur Herstellung kontinuierlich, lastgerecht faserverstärkter Thermoplaste mit individuellen Matrix- und Faserwerkstoffen.

Most of the mitochondrial proteins in yeast are encoded in the nuclear genome, get synthesized by cytosolic ribosomes and are imported via TOM and TIM23 into the matrix or other subcompartments of mitochondria. The mitochondrial DNA in yeast however also encodes a small set of 8 proteins from which most are hydrophobic membrane proteins and build core components of the OXPHOS complexes. They get synthesized by mitochondrial ribosomes which are descendants of bacterial ribosomes and still have some similarities to them. On the other hand, mitochondrial ribosomes experienced various structural and functional changes during evolution that specialized them for the synthesis of the mitochondrial encoded membrane proteins. The mitoribosome contains mitochondria-specific ribosomal proteins and replaced the bacterial 5S rRNA by mitochondria-specific proteins and rRNA extensions. Furthermore, the mitoribosome is tethered to the inner mitochondrial membrane to facilitate a co-translational insertion of newly synthesized proteins. Thus, also the assembly process of mitoribosomes differs from that of bacteria and is to date not well understood. Therefore, the biogenesis of mitochondrial ribosomes in yeast should be investigated. To this end, a strain was generated in which the gene of the mitochondrial RNA-polymerase RPO41 is under control of an inducible GAL10-promoter. Since the scaffold of ribosomes is built by ribosomal RNAs, the depletion of the RNA-polymerase subsequently leads to a loss of mitochondrial ribosomes. Reinduction of Rpo41 initiates the assembly of new mitoribosomes, which makes this strain an attractive model to study mitoribosome biogenesis. Initially, the effects of Rpo41 depletion on cellular and mitochondrial physiology was investigated. Upon Rpo41 depletion, growth on respiratory glycerol medium was inhibited. Furthermore, mitochondrial ribosomal 21S and 15S rRNA was diminished and mitochondrial translation was almost completely absent. Also, mitochondrial DNA was strongly reduced due to the fact that mtDNA replication requires RNA primers that get synthesized by Rpo41. Next, the effect of reinduction of Rpo41 on mitochondria was tested. Time course experiments showed that mitochondrial translation can partially recover from 48h Rpo41 depletion within a timeframe of 4.5h. Sucrose gradient sedimentation experiments further showed that the mitoribosomal constitution was comparable to wildtype control samples during the time course of 4.5h of reinduction, suggesting that the ribosome assembly is not fundamentally altered in Gal-Rpo41 mitochondria. In addition, the depletion time was found to be critical for recovery of mitochondrial translation and mitochondrial RNA levels. It was observed that after 36h of Rpo41 depletion, the rRNA levels and mitochondrial translation recovered to almost 100%, but only within a time course of 10h. Finally, mitochondria from Gal-Rpo41 cells isolated after different timepoints of reinduction were used to perform complexome profiling and the assembly of mitochondrial protein complexes was investigated. First, the steady state conditions and the assembly process of mitochondrial respiratory chain complexes were monitored. The individual respiratory chain complexes and the super-complexes of complex III, complex IV and complex V were observed. Furthermore, it was seen that they recovered from Rpo41 depletion within 4.5h of reinduction. Complexome profiles of the mitoribosomal small and large subunit discovered subcomplexes of mitoribosomal proteins that were assumed to form prior to their incorporation into assembly intermediates. The complexome profiles after reinduction indeed showed the formation of these subcomplexes before formation of the fully assembled subunit. In the mitochondrial LSU one subcomplex builds the membrane facing protuberance and a second subcomplex forms the central protuberance. In contrast to the preassembled subcomplexes, proteins that were involved in early assembly steps were exclusively found in the fully assembled subunit. Proteins that assemble at the periphery of the mitoribosome during intermediate and late assembly steps where found in soluble form suggesting a pool of unassembled proteins that supply assembly intermediates with proteins. Taken together, the findings of this thesis suggest a so far unknow building-block model for mitoribosome assembly in which characteristic structures of the yeast mitochondrial ribosome form preassembled subcomplexes prior to their incorporation into the mitoribosome.

Participatory urban planning approaches (PUPAs) are seen as key methodological tools to develop plans and strategies that can help in alleviating urban poverty and improving urban planning and governance. Given that, there is a need for a deeper understanding of the PUPAs adopted and implemented in the Arab cities to define the challenges that led to the weak impacts of these approaches in the examined cities and to identify their potentials for improvement in the future. Yet, adopting PUPAs in restrictive political and institutional settings like the ones in the Arab region proved to be ineffective, either in improving urban planning and governance or in including urban citizens in planning decision-making processes. This research examines PUPAs in the City Development Strategies of two big cities in the Arab region between 2003 and 2010: Alexandria in Egypt and Aleppo in Syria. The research investigates whether PUPAs are adopted and supported by the institutional and legal framework in the cities under study and whether they are implemented successfully. For this purpose, the research identifies first the challenges and successes in implementing PUPAs in the two cities based on an in-depth analysis of the structures and actors of governance and planning. Second, it explores the effects of the PUPAs on the participatory process and vice versa. The main findings of the research have shown that PUPAs can only be effective when the political, institutional, and social contexts are supporting participation, which is lacking in the two examined cities. Yet, the different PUPAs implemented in these cities indicate that local actors and planners have a great potential for developing innovative communication strategies and participatory mechanisms that could have positive impacts on urban planning, urban governance, and the society.

This thesis introduces a novel deformation method for computational meshes. It is based on the numerical path following for the equations of nonlinear elasticity. By employing a logarithmic variation of the neo-Hookean hyperelastic material law, the method guarantees that the mesh elements do not become inverted and remain well-shaped. In order to demonstrate the performance of the method, this thesis addresses two areas of active research in isogeometric analysis: volumetric domain parametrization and fluid-structure interaction. The former concerns itself with the construction of a parametrization for a given computational domain provided only a parametrization of the domain’s boundary. The proposed mesh deformation method gives rise to a novel solution approach to this problem. Within it, the domain parametrization is constructed as a deformed configuration of a simplified domain. In order to obtain the simplified domain, the boundary of the target domain is projected in the \(L^2\)-sense onto a coarse NURBS basis. Then, the Coons patch is applied to parametrize the simplified domain. As a range of 2D and 3D examples demonstrates, the mesh deformation approach is able to produce high-quality parametrizations for complex domains where many state-of-the-art methods either fail or become unstable and inefficient. In the context of fluid-structure interaction, the proposed mesh deformation method is applied to robustly update the computational mesh in situations when the fluid domain undergoes large deformations. In comparison to the state-of-the-art mesh update methods, it is able to handle larger deformations and does not result in an eventual reduction of mesh quality. The performance of the method is demonstrated on a classic 2D fluid-structure interaction benchmark reproduced by using an isogeometric partitioned solver with strong coupling.

Durch die Kombination von Hohlkörpern mit einem Feinkorn-Hochleistungsbeton können sehr leistungsfähige und zugleich schlanke Tragstrukturen realisiert wer-den. Dies ermöglicht einen effizienten Materialeinsatz, wodurch Beton, Betonstahl und insbesondere der im Beton enthaltene Zement gegenüber herkömmlichen Strukturen verringert werden können. Die Herstellung dieser Materialien erfordert einen hohen Einsatz von Primärenergie, sodass sich in der Folge nicht nur der Verbrauch primärer Energieträger, sondern insbesondere die Emission von Treib-hausgasen reduziert. Zur Sicherstellung einer praxisgerechten Handhabung gilt es, einen Hochleis-tungsbeton auszuwählen, der hinsichtlich seiner mechanischen Kennwerte hohen Anforderungen entspricht und zugleich gut zu verarbeiten ist. Der in der vorliegen-den Arbeit verwendete Nanodur®-Beton zeichnet sich sowohl durch seine Zug- und Druckfestigkeit als auch seinen hohen E-Modul gegenüber herkömmlichen Beto-nen aus. Er lässt sich einfach verarbeiten und kann ohne die Verwendung speziel-ler Mischanlagen hergestellt werden. Bisher durchgeführte Untersuchungen haben gezeigt, dass die Verwendung von Hohlkörpern das Tragverhalten von Deckenplatten maßgeblich beeinflusst. Es wurde festgestellt, dass insbesondere die Querkrafttragfähigkeit ohne Querkraft-bewehrung sowie die lokale Durchstanztragfähigkeit deutlich verringert werden, sodass diese mittels experimenteller Untersuchungen für Hohlkörperdecken aus Feinkorn-Hochleistungsbeton neu zu bewerten sind. Das Biegetrag- und das Ver-formungsverhalten können anhand dieser Ergebnisse sowie weiterer theoretischer Betrachtungen bewertet werden, da diese durch die Verwendung von Hohlkörpern im Querschnitt nur untergeordnet verändert werden. Für weitergehende Untersu-chungen wurden ein FE-Berechnungsmodell an den ermittelten Daten kalibriert und die Eingaben an Versuchen validiert. Die Untersuchungsergebnisse haben gezeigt, dass bereits bestehende Berech-nungs- bzw. Bemessungsansätze nur mit Einschränkungen auf Hohlkörperdecken aus Feinkorn-Hochleistungsbeton übertragen werden können. Die Bemessung der Biegetragfähigkeit und der lokalen Durchstanztragfähigkeit wurde anhand von bereits vorliegenden Konzepten modifiziert und durch Parameter zur Berücksichti-gung des feinkörnigen Nanodur®-Betons sowie der gegenüber von herkömmli-chen Betonen reduzierten Betondeckung von Bewehrung und Hohlkörpern ergänzt. Die Berechnung der Verformungen wurde auf Grundlage etablierter Ansätze so-wohl für Hohlkörperdecken als auch für massiv ausgeführte Querschnitte aus Na-nodur®-Beton an den durchgeführten Versuchen kalibriert. Zur Ermittlung der Querkrafttragfähigkeit ohne Querkraftbewehrung wurde ein Modell an den experi-mentellen Untersuchungen validiert, das auf der individuellen Ermittlung der drei Haupttraganteile der Querkrafttragfähigkeit (ungerissene Betondruckzone, Rissrei-bung sowie Dübelwirkung der Längsbewehrung) basiert. Aufgrund der Komplexität dieses Modells wurde weiterhin ein Konzept entwickelt, das die praxisgerechte Bemessung der Querkrafttragfähigkeit ohne Querkraftbewehrung von Hohlkörper-decken aus Feinkorn-Hochleistungsbeton ermöglicht. Abschließend wird die Anwendung der in dieser Dissertation erarbeiteten Berech-nungs- und Bemessungsmodelle an einem Anwendungsbeispiel veranschaulicht.

In this thesis, we present the basic concepts of isogeometric analysis (IGA) and we consider Poisson's equation as model problem. Since in IGA the physical domain is parametrized via a geometry function that goes from a parameter domain, e.g. the unit square or unit cube, to the physical one, we present a class of parametrizations that can be viewed as a generalization of polar coordinates, known as the scaled boundary parametrizations (SB-parametrizations). These are easy to construct and are particularly attractive when only the boundary of a domain is available. We then present an IGA approach based on these parametrizations, that we call scaled boundary isogeometric analysis (SB-IGA). The SB-IGA derives the weak form of partial differential equations in a different way from the standard IGA. For the discretization projection on a finite-dimensional space, we choose in both cases Galerkin's method. Thanks to this technique, we state an equivalence theorem for linear elliptic boundary value problems between the standard IGA, when it makes use of an SB-parametrization, and the SB-IGA. We solve Poisson's equation with Dirichlet boundary conditions on different geometries and with different SB-parametrizations.