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As one of its primary objectives, Computer Graphics aims at the simulation of fabrics’ complex reflection behaviour. Characteristic surface reflectance of fabrics, such as highlights, anisotropy or retro-reflection arise the difficulty of synthesizing. This problem can be solved by using Bidirectional Texture Functions (BTFs), a 2D-texture under various light and view direction. But the acquisition of Bidirectional Texture Functions requires an expensive setup and the measurement process is very time-consuming. Moreover, the size of BTF data can range from hundreds of megabytes to several gigabytes, as a large number of high resolution pictures have to be used in any ideal cases. Furthermore, the three-dimensional textured models rendered through BTF rendering method are subject to various types of distortion during acquisition, synthesis, compression, and processing. An appropriate image quality assessment scheme is a useful tool for evaluating image processing algorithms, especially algorithms designed to leave the image visually unchanged. In this contribution, we present and conduct an investigation aimed at locating a robust threshold for downsampling BTF images without loosing perceptual quality. To this end, an experimental study on how decreasing the texture resolution influences perceived quality of the rendered images has been presented and discussed.
Next, two basic improvements to the use of BTFs for rendering are presented: firstly, the study addresses the cost of BTF acquisition by introducing a flexible low-cost step motor setup for BTF acquisition allowing to generate a high quality BTF database taken at user-defined arbitrary angles. Secondly, the number of acquired textures to the perceptual quality of renderings is adapted so that the database size is not overloaded and can fit better in memory when rendered.
Although visual attention is one of the essential attributes of HVS, it is neglected in most existing quality metrics. In this thesis an appropriate objective quality metric based on extracting visual attention regions from images and adequate investigation of the influence of visual attention on perceived image quality assessment, called Visual Attention Based Image Quality Metric (VABIQM), has been proposed. The novel metric indicates that considering visual saliency can offer significant benefits with regard to constructing objective quality metrics to predict the visible quality differences in images rendered by compressed and non-compressed BTFs and also outperforms straightforward existing image quality metrics at detecting perceivable differences.
This dissertation is devoted to the theoretical development and experimental laboratory verification of a new damage localization method: The state projection estimation error (SP2E). This method is based on the subspace identification of mechanical structures, Krein space based H-infinity estimation and oblique projections. To explain method SP2E, several theories are discussed and laboratory experiments have been conducted and analysed.
A fundamental approach of structural dynamics is outlined first by explaining mechanical systems based on first principles. Following that, a fundamentally different approach, subspace identification, is comprehensively explained. While both theories, first principle and subspace identification based mechanical systems, may be seen as widespread methods, barely known and new techniques follow up. Therefore, the indefinite quadratic estimation theory is explained. Based on a Popov function approach, this leads to the Krein space based H-infinity theory. Subsequently, a new method for damage identification, namely SP2E, is proposed. Here, the introduction of a difference process, the analysis by its average process power and the application of oblique projections is discussed in depth.
Finally, the new method is verified in laboratory experiments. Therefore, the identification of a laboratory structure at Leipzig University of Applied Sciences is elaborated. Then structural alterations are experimentally applied, which were localized by SP2E afterwards. In the end four experimental sensitivity studies are shown and discussed. For each measurement series the structural alteration was increased, which was successfully tracked by SP2E. The experimental results are plausible and in accordance with the developed theories. By repeating these experiments, the applicability of SP2E for damage localization is experimentally proven.
Living heritage sites are strongly connected to their historical, geographical, socio-political and cultural context. A descriptive narrative of the evolutionary process of the living heritage site of a Sufi shrine is undertaken in this research. It focuses on the changing relationship between the spatial and socio-cultural aspects over time. The larger or macro regional context is interrelated to the micro architectural context. The tangible heritage is defined by and intimately tied to the intangible aspects of the heritage. It is these constituting macro and micro elements and their interrelationships particularly through space and architecture that the research thesis explores in its documentation and analysis.
The Sufi shrine in the South Asian Pakistani context is representative of a larger culture in the precolonial era. It is an expression of an indigenous modernity, belonging to a certain time period, place and community. The Sufi shrine as a building type has evolved from the precolonial time period, particularly starting at the golden ages of the Muslim Empire in the world (9th – 12th century), through the colonial age when western modernity arrived until the current neoliberal paradigm within the post independence period. Continued and evolved use of space, ritualistic performances, multiple social groups using the site are various elements whose documentation and analysis can establish the essential co-relations that contribute to continuity of its historical living. Physical and social relation of the historic site to its immediate settlement context is also a significant element that preserves the socio-cultural context.
The chosen case of the Shrine of Shah Abdul Latif Bhitai, situated in the small town of Bhitshah in the province of Sindh, Pakistan forms a unique example where the particular physical and socio-cultural environment forms the context within which the Sufi heritage lives and survives. It is well integrated within its context at multiple levels. What are these levels and how do the constituting elements integrate is a major subject of research? These form the background to defining some of the basic issues and questions addressed in this doctoral thesis.
Given that living heritage sites are unique due to their particular association to the context, the case study method was used to gain deeper insight and understanding on the topic.
Polymeric nanocomposites (PNCs) are considered for numerous nanotechnology such as: nano-biotechnology, nano-systems, nanoelectronics, and nano-structured materials. Commonly , they are formed by polymer (epoxy) matrix reinforced with a nanosized filler. The addition of rigid nanofillers to the epoxy matrix has offered great improvements in the fracture toughness without sacrificing other important thermo-mechanical properties. The physics of the fracture in PNCs is rather complicated and is influenced by different parameters. The presence of uncertainty in the predicted output is expected as a result of stochastic variance in the factors affecting the fracture mechanism. Consequently, evaluating the improved fracture toughness in PNCs is a challenging problem.
Artificial neural network (ANN) and adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) have been employed to predict the fracture energy of polymer/particle nanocomposites. The ANN and ANFIS models were constructed, trained, and tested based on a collection of 115 experimental datasets gathered from the literature. The performance evaluation indices of the developed ANN and ANFIS showed relatively small error, with high coefficients of determination (R2), and low root mean square error and mean absolute percentage error.
In the framework for uncertainty quantification of PNCs, a sensitivity analysis (SA) has been conducted to examine the influence of uncertain input parameters on the fracture toughness of polymer/clay nanocomposites (PNCs). The phase-field approach is employed to predict the macroscopic properties of the composite considering six uncertain input parameters. The efficiency, robustness, and repeatability are compared and evaluated comprehensively for five different SA methods.
The Bayesian method is applied to develop a methodology in order to evaluate the performance of different analytical models used in predicting the fracture toughness of polymeric particles nanocomposites. The developed method have considered the model and parameters uncertainties based on different reference data (experimental measurements) gained from the literature. Three analytical models differing in theory and assumptions were examined. The coefficients of variation of the model predictions to the measurements are calculated using the approximated optimal parameter sets. Then, the model selection probability is obtained with respect to the different reference data.
Stochastic finite element modeling is implemented to predict the fracture toughness of polymer/particle nanocomposites. For this purpose, 2D finite element model containing an epoxy matrix and rigid nanoparticles surrounded by an interphase zone is generated. The crack propagation is simulated by the cohesive segments method and phantom nodes. Considering the uncertainties in the input parameters, a polynomial chaos expansion (PCE) surrogate model is construed followed by a sensitivity analysis.
Advances in nanotechnology lead to the development of nano-electro-mechanical systems (NEMS) such as nanomechanical resonators with ultra-high resonant frequencies. The ultra-high-frequency resonators have recently received significant attention for wide-ranging applications such as molecular separation, molecular transportation, ultra-high sensitive sensing, high-frequency signal processing, and biological imaging. It is well known that for micrometer length scale, first-principles technique, the most accurate approach, poses serious limitations for comparisons with experimental studies. For such larger size, classical molecular dynamics (MD) simulations are desirable, which require interatomic potentials. Additionally, a mesoscale method such as the coarse-grained (CG) method is another useful method to support simulations for even larger system sizes.
Furthermore, quasi-two-dimensional (Q2D) materials have attracted intensive research interest due to their many novel properties over the past decades. However, the energy dissipation mechanisms of nanomechanical resonators based on several Q2D materials are still unknown. In this work, the addressed main issues include the development of the CG models for molybdenum disulphide (MoS2), investigation of the mechanism effects on black phosphorus (BP) nanoresonators and the application of graphene nanoresonators. The primary coverage and results of the dissertation are as follows:
Method development. Firstly, a two-dimensional (2D) CG model for single layer MoS2 (SLMoS2) is analytically developed. The Stillinger-Weber (SW) potential for this 2D CG model is further parametrized, in which all SW geometrical parameters are determined analytically according to the equilibrium condition for each individual potential term, while the SW energy parameters are derived analytically based on the valence force field model. Next, the 2D CG model is further simplified to one-dimensional (1D) CG model, which describes the 2D SLMoS2 structure using a 1D chain model. This 1D CG model is applied to investigate the relaxed configuration and the resonant oscillation of the folded SLMoS2. Owning to the simplicity nature of the 1D CG model, the relaxed configuration of the folded SLMoS2 is determined analytically, and the resonant oscillation frequency is derived analytically. Considering the increasing interest in studying the properties of other 2D layered materials, and in particular those in the semiconducting transition metal dichalcogenide class like MoS2, the CG models proposed in current work provide valuable simulation approaches.
Mechanism understanding. Two energy dissipation mechanisms of BP nanoresonators are focused exclusively, i.e. mechanical strain effects and defect effects (including vacancy and oxidation). Vacancy defect is intrinsic damping factor for the quality (Q)-factor, while mechanical strain and oxidation are extrinsic damping factors. Intrinsic dissipation (induced by thermal vibrations) in BP resonators (BPRs) is firstly investigated. Specifically, classical MD simulations are performed to examine the temperature dependence for the Q-factor of the single layer BPR (SLBPR) along the armchair and zigzag directions, where two-step fitting procedure is used to extract the frequency and Q-factor from the kinetic energy time history. The Q-factors of BPRs are evaluated through comparison with those of graphene and MoS2 nanoresonators. Next, effects of mechanical strain, vacancy and oxidation on BP nanoresonators are investigated in turn. Considering the increasing interest in studying the properties of BP, and in particular the lack of theoretical study for the BPRs, the results in current work provide a useful reference.
Application. A novel application for graphene nanoresonators, using them to self-assemble small nanostructures such as water chains, is proposed. All of the underlying physics enabling this phenomenon is elucidated. In particular, by drawing inspiration from macroscale self-assembly using the higher order resonant modes of Chladni plates, classical MD simulations are used to investigate the self-assembly of water molecules using
graphene nanoresonators. An analytic formula for the critical resonant frequency based on the interaction between water molecules and graphene is provided. Furthermore, the properties of the water chains assembled by the graphene nanoresonators are studied.
The phenomenon of aerodynamic instability caused by the wind is usually a major design criterion for long-span cable-supported bridges. If the wind speed exceeds the critical flutter speed of the bridge, this constitutes an Ultimate Limit State. The prediction of the flutter boundary, therefore, requires accurate and robust models. The complexity and uncertainty of models for such engineering problems demand strategies for model assessment. This study is an attempt to use the concepts of sensitivity and uncertainty analyses to assess the aeroelastic instability prediction models for long-span bridges. The state-of-the-art theory concerning the determination of the flutter stability limit is presented. Since flutter is a coupling of aerodynamic forcing with a structural dynamics problem, different types and classes of structural and aerodynamic models can be combined to study the interaction. Here, both numerical approaches and analytical models are utilised and coupled in different ways to assess the prediction quality of the coupled model.
Córdoba es la segunda ciudad más poblada de la Argentina, y posee el ejido municipal más extenso del país, siendo un importante centro industrial y de servicios del centro del país. Es además la cabecera de la segunda región metropolitana argentina, el Área Metropolitana de Córdoba (AMCBA). Si bien el desarrollo de sus áreas centrales y periurbanas es un tema bastante desarrollado académicamente, actualmente hay un vacío de conocimiento en la situación actual de las áreas pericentrales e intermedias de esta ciudad -aun cuando ocupan más del 30% del área urbanizada y donde habita la mayor parte de su población-. Es en estas áreas donde se ubica el objeto de estudio de esta tesis: los barrios pericentrales que forman un anillo alrededor del área central. Originados como extensiones suburbanas alrededor de 1940, y consolidados como barrios residenciales de clase media y media alta de baja densidad antes de 1970, ocupan lo que son hoy algunas de las áreas con mejor calidad ambiental y urbana de la ciudad.
Los barrios pericentrales son considerados generalmente consolidados y estables; sin embargo, analizados en detalle, muestran complejas transformaciones: un vaciamiento poblacional constante, a pesar del crecimiento demográfico en general de Córdoba y el AMCBA; aumento de inmuebles abandonados; y a diferencia de sectores en una similar posición, no son objeto de grandes inversiones inmobiliarias de renovación urbana.
Esta situación es invisibilizada, en parte por ser resultado de procesos con poco impacto relativo en la ciudad, y en parte porque estos procesos no están contemplados por los modelos urbanos locales vigentes –basados en la teoría racionalista y determinista de principios del siglo XX-, que conceptualizan a los barrios pericentrales como una “panacea urbana”. Esta tesis puso en disputa estos modelos, partiendo de la discusión sobre un fenómeno informal detectado indefectiblemente (aunque no exclusivamente) en estos barrios pericentrales: la microdensificación emergente.
La imposibilidad de colocar los inmuebles existentes en el mercado hace que los propietarios busquen nuevas formas de valorizar sus propiedades, de facilitar el acceso a la vivienda a sus hijos o de invertir sus ahorros de forma segura, obteniendo una fuente adicional de ingresos: en cada parcela edificada se aumenta la cantidad de unidades funcionales, aprovechando la superficie construible vacante o refuncionalizando las construcciones obsoletas, aunque manteniendo el grano y la escala de intervención respecto al tejido existente. La oferta de hábitat en estos barrios se diversifica, y no sólo evita la expulsión de población, sino que también atrae a nuevos habitantes. Además, en un tejido originalmente sólo residencial, incorpora actividades de comercio y servicios que enriquecen el tejido funcional.
El proceso se realiza sin planificación general (y por supuesto fuera del marco legal): es la suma de acciones individuales que se reconstruyen como una “tendencia” o “patrón emergente”, revitalizando el tejido urbano de forma sutil pero definitiva.
Se planteó como hipótesis que la microdensificación emergente es un proceso de revitalización que aprovecha el potencial del tejido de estos barrios de forma más sostenible y eficiente que el modelo impuesto formalmente.
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La tesis se encuadró bajo el enfoque sistémico de la complejidad. Este enfoque entiende a la ciudad como un sistema complejo y dinámico, en desarrollo constante; determinado más por las interrelaciones entre sus componentes y entre esos componentes y el contexto, que por las condiciones de cada elemento individualmente. La calidad y cantidad de estas interacciones es primordial, al punto de definir la condición urbana de una aglomeración. Según estas premisas, un sistema urbano sostenible y eficiente será aquel que, maximizando recursos materiales y humanos (y de acuerdo a la capacidad de carga del sistema) desarrolle de redes de intercambio múltiples, diversas y descentralizadas, que generen procesos de sinergia y desarrollo inclusivos.
La investigación se estructuró entonces de forma tal de responder las siguientes preguntas:
•
En primer lugar, ¿cuáles son las condiciones específicas que catalizan la microdensificación en los barrios pericentrales de Córdoba?
•
Siendo la microdensificación una respuesta a una situación particular dentro del sistema urbano, ¿Cuál es el grado de sostenibilidad y eficiencia que aporta a los barrios pericentrales (en particular) y a Córdoba (en general)?
•
Y tras haber identificado su impacto en la estructura urbana, su potencial transformador y organizativo, ¿puede el estudio de los procesos emergentes hacer un aporte conceptual e instrumental a los modelos locales de planeamiento urbano?
Primeramente, un análisis documental reconstruyó la condición específica de los barrios pericentrales, y el escenario actual de Córdoba con respecto a la producción y acceso al hábitat urbano. Luego se infirió un escenario tendencial a corto y mediano plazo, que sirvió para definir distintos patrones de territorialización, incluyendo el patrón “formal” de los barrios pericentrales. Se continuó con el análisis específico de la microdensificación, proponiendo un escenario posible a mediano plazo donde el patrón de microdensificación ha sido plenamente desarrollado, transformando cuali y cuantitativamente el tejido espacio-funcional y socioeconómico.
A partir de estos resultados, se realizó un análisis comparativo de los distintos patrones de desarrollo urbano de Córdoba en cuanto a su sostenibilidad y eficiencia. Se demostró que el patrón de microdensificación en los barrios pericentrales es mucho más sostenible y eficiente que los patrones formales existentes, y se abrió la discusión que se desarrolla en la última parte de esta tesis:
El argumento desarrollado en esta investigación y los resultados que de él se desprenden tienen un carácter analítico y explicativo útil para el análisis de otros escenarios en el contexto urbano argentino y latinoamericano. En primer lugar, sobre preferir la revitalización progresiva frente a la renovación total o la creación de nuevo suelo urbano en la periferia; promover una ciudad compacta, diversa e inclusiva tanto social como funcionalmente; basada en la multiplicación y diversificación de los agentes productores de ciudad; que considera estos procesos, así como los mecanismos de empoderamiento, participación y gobernanza como instrumentos para lograr mayor sostenibilidad y eficiencia en el desarrollo urbano. Por otro lado, esta tesis puso en relevancia el rol de los procesos emergentes en un sistema urbano como mecanismo vital para generar esta revitalización. Finalmente, se discute el aporte del enfoque sistémico para comprender, explicar y proponer intervenciones a la disciplina.
The Variability of the Void Ratio of Sand and its Effect on Settlement and Infinite Slope Stability
(2018)
The uncertainty of a soil property can significantly affect the physical behavior of soil, so as to influence geotechnical practice. The uncertainty can be expressed by its stochastic parameters, including the mean, the standard deviation, and the spatial correlation length. These stochastic parameters are regarded as constant value in most of the former studies. The main aim of this thesis is to prove whether they are depth-dependent, and to evaluate the effect of this depth-dependent character on both the settlement and the infinite slope stability during rainwater infiltration.
A stochastic one-dimensional settlement simulation is carried out using random finite element method with the von Wolffersdorff hypoplastic model, so as to evaluate the effect of stress level on the stochastic parameters of void ratio related parameters of sand. It is found that these stochastic parameters are both stress-dependent and depth-dependent.
The non-stationary random field, considering the depth-dependent character of these stochastic parameters, can be generated through the distortion of the stationary random field.
The one-dimensional settlement analysis is carried out to evaluation the effect of the depth-dependent character of the stochastic parameters of void ratio on the strain. It is found that the depth-dependent character has low effect on the strain.
The deterministic analysis of infinite slope stability during rainwater infiltration is simulated.
The transient seepage is carried out using finite difference method, while the steady state seepage is simulated using the analytical solution. The saturated hydraulic conductivity (ks) is taken as the only variable. The results show that the depth-dependent ks has a significant influence on the stability of the slope when the negative flux is high. Without considering the depth-dependent character, can overestimate the factor of safety of the slope. A slope can fail if the depth-dependent character is considered, while it is stable if the depth-dependent character is neglected. The failure time of the slope with a greater depth-dependent ks is earlier during transient infiltration.
Meanwhile, the stochastic infinite slope stability analysis during infiltration, is also carried out to highlight the effect of the depth-dependent character of the stochastic parameters of ks. The results show that: the probability of failure is significantly increased if the depth-dependent character of mean is considered, while, it is moderately reduced if the depth-dependent character of the standard deviation is accounted. If the depth-dependent character of both the mean and standard deviation of ks is considered, the depth-dependent mean value plays a dominant influence on the results. Furthermore, the depth-dependent character of the spatial correlation length can slightly reduce the probability of failure.
Increasing structural robustness is the goal which is of interest for structural engineering community. The partial collapse of RC buildings is subject of this dissertation. Understanding the robustness of RC buildings will guide the development of safer structures against abnormal loading scenarios such as; explosions, earthquakes, fine, and/or long-term accumulation effects leading to deterioration or fatigue. Any of these may result in local immediate structural damage, that can propagate to the rest of the structure causing what is known by the disproportionate collapse.
This work handels collapse propagation through various analytical approaches which simplifies the mechanical description of damaged reinfoced concrete structures due to extreme acidental event.
Ziel der Arbeit war das Adsorptionsverhalten ausgewählter schutzkolloidstabilisierter Polymerpartikel mit variierender chemischer Basis im zementären System zu beschreiben und basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen das Konkurrenzverhalten beim Angebot unterschiedlicher mineralischer Oberflächen zu klären.
Sowohl die Destabilisierung der Polymerpartikel im alkalischen Milieu, welche eine Voraussetzung für derartige Adsorptionsprozesse ist, als auch die Veränderung von Oberflächeneigenschaften verschiedener mineralischer Partikel durch Hydratations- und Ionenadsorptionsprozesse, wurden u. a. mit Hilfe elektrokinetischer Experimente erfasst. Die spektralphotometrische Erstellung von Adsorptionsisothermen ermöglichte zudem die Ermittlung der jeweiligen adsorbierten Polymermenge zu verschiedenen Zeitpunkten der frühen Hydratation. Weiterhin wurde die Polymeradsorption an Partikeln ausgewählter Zusatzstoffe in Abhängigkeit von der Ionenstärke der Flüssigphase beschrieben.
Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen cryo-präparierter polymermodifizierter Zementleimproben ermöglichten es außerdem deren Mikrostruktur im suspensiven Zustand zu visualisieren. Diese Aufnahmen, ebenso wie die Ergebnisse grundlegender hydratationskinetischer Untersuchungen wurden in Wechselbeziehung zu den Ergebnissen der Adsorptionsuntersuchungen gebracht.
Maßgelbliche intermolekulare und interpartikuläre Wechselwirkungen, infolge derer sich die Stabilitätsverhältnisse im Zementleim ändern und die Polymerpartikel adsorbieren sind im Wesentlichen die Desorption des Schutzkolloids von der Polymerpartikeloberfläche, die Ionisation funktioneller Gruppen der Polymerpartikel und der Schutzkolloidmakromoleküle im alkalischen Milieu und infolgedessen die Komplexbildung mit Ionen der Zementleimporenlösung. Die Auswirkungen dieser Vorgänge auf die Lösungs- und Fällungskinetik des Zementleimes wurden erfasst und mit der chemischen Zusammensetzung der polymeren Systeme korreliert.
This dissertation concerns the changing role of fashion in the context of modern cities. In approaching this process, the research investigates the media discourse based on representations of fashion by cities and of cities by fashion. Moreover, this research focuses on fashion understood as a multidimensional phenomenon that aims to provide an explanation of urban spaces through fashion terms, actions, and garments. Additionally, cities are considered from the cultural geography approach that highlights the cultural component of urban spaces expressed in social and cultural practices in physical reality. Following this idea, it is suggested here that fashion today not only participates in the urban life as its significant component but also creates city images and representations of urban lifestyle through the fashion paradigm. In other words, fashion redefines urban spaces; at the same time, urban spaces are interpreted as a stage for fashion processes.
By integrating in social research the fields of urban studies and fashion studies, this dissertation offers the discussion considering the fashion phenomenon not only as an urban phenomenon of modern reality. On the one hand, such discussion concerns the re-conceptualization of urban phenomena by the fashion influence; on the other hand, it relates the re-contextualization of fashion in a city. The empirical focus is based on the media context of fashion magazines in which variety of possibilities to represent fashion and cities lead to promising interpretations and analysis. The idea of representation specifies the ways of constructing the notion of urban space as fashionable space and the notion of fashion as placed in the urban context.
This cumulative dissertation discusses - by the example of four subsequent publications - the various layers of a tangible interaction framework, which has been developed in conjunction with an electronic musical instrument with a tabletop tangible user interface. Based on the experiences that have been collected during the design and implementation of that particular musical application, this research mainly concentrates on the definition of a general-purpose abstraction model for the encapsulation of physical interface components that are commonly employed in the context of an interactive surface environment. Along with a detailed description of the underlying abstraction model, this dissertation also describes an actual implementation in the form of a detailed protocol syntax, which constitutes the common element of a distributed architecture for the construction of surface-based tangible user interfaces. The initial implementation of the presented abstraction model within an actual application toolkit is comprised of the TUIO protocol and the related computer-vision based object and multi-touch tracking software reacTIVision, along with its principal application within the Reactable synthesizer. The dissertation concludes with an evaluation and extension of the initial TUIO model, by presenting TUIO2 - a next generation abstraction model designed for a more comprehensive range of tangible interaction platforms and related application scenarios.
Entwicklung und Untersuchung von alternativen Dicalciumsilicat-Bindern auf der Basis von alpha-C2SH
(2018)
Um den Klimawandel zu begrenzen, müssen die CO2-Emissionen drastisch gesenkt werden [100]. Bis 2050 soll bei der Herstellung von Zement eine Einsparung um 51–60 % auf 0,425–0,350 tCO2/tZement erfolgen [7]. Um dieses Ziel zu erreichen, sind alternative Bindemittelkonzepte notwendig [70].
Diese Arbeit widmet sich alternativen, hochreaktiven Dicalciumsilicat-Bindemitteln, die durch die thermische Aktivierung von α-Dicalcium-Silicat-Hydrat (α-C2SH) erzeugt werden. Das α-C2SH ist eine kristalline C S H-Phase, die im hydrothermalen Prozess, beispielsweise aus Branntkalk und Quarz, herstellbar ist. Die thermische Aktivierung kann bei sehr niedrigen Temperaturen erfolgen (>420 °C) und führt zu einem Multiphasen-C2S-Binder. Als besonders reaktive Bestandteile können x-C2S und röntgenamorphe Anteile enthalten sein. Weiterhin können β C2S, γ C2S und Dellait (Ca6(SiO4)(Si2O7)(OH)2) entstehen.
Im Rahmen der Arbeit wird zunächst der Stand des Wissens zur Polymorphie und Hydratation von C2S zusammengefasst. Es werden bekannte C2S-basierte Bindemittelkonzepte vorgestellt und bewertet.
Die Herstellung von C2S-Bindern wird experimentell im Labormaßstab untersucht. Dabei kommen unterschiedliche Autoklaven und ein Muffelofen zum Einsatz. Die Herstellungsparameter werden hinsichtlich Phasenbestand und Reaktivität optimiert. Die Bindemittel werden durch quantitative Röntgen-Phasenanalyse (QXRD), Rasterelektronenmikroskopie (REM), N2-Adsorption (BET-Methode), Heliumpycnometer, Thermoanalyse (TGA/DSC) und 29Si-MAS- sowie 29Si-1H-CP/MAS-NMR-Spektroskopie charakterisiert. Das Hydratationsverhalten der Bindemittel wird vorrangig mithilfe von Wärmeflusskalorimetrie untersucht. Weiterhin werden in situ und ex situ XRD-, TGA/DSC- und REM-Untersuchungen durchgeführt. Anhand von zwei Bindemitteln wird die Fähigkeit zur Erzielung hoher Festigkeiten demonstriert. Abschließend erfolgt eine Abschätzung zu Energiebedarf und CO2-Emissionen für die Herstellung der untersuchten C2S-Binder.
Die Ergebnisse zeigen, dass für eine hohe Reaktivität der Binder eine niedrige Brenntemperatur und ein geringer Wasserdampfpartialdruck während der thermischen Aktivierung entscheidend sind. Weiterhin muss das hydrothermal hergestellte α-C2SH eine möglichst hohe spezifische Oberfläche aufweisen. Diese Parameter beeinflussen den Phasenbestand und die phasenspezifische Reaktivität. Brenntemperaturen von ca. 420–500 °C führen zu hochreaktiven Bindern, die im Rahmen dieser Arbeit als Niedertemperatur-C2S-Binder bezeichnet werden. Temperaturen von ca. 600–800 °C führen zu Bindern mit geringerer Reaktivität, die im Rahmen dieser Arbeit als Hochtemperatur-C2S bezeichnet werden. Höhere Brenntemperaturen (1000 °C) führen zu Bindemitteln, die innerhalb der ersten drei Tage keine hydraulische Aktivität zeigen.
Die untersuchten Bindemittel können sehr hohe Reaktionsgeschwindigkeiten erreichen. Die Wärmeflusskalorimetrie deutet bei einigen Bindemitteln einen nahezu vollständigen Umsatz innerhalb von drei Tagen an. Durch XRD wurde für einen Binder der vollständige Verbrauch von x-C2S innerhalb von drei Tagen nachgewiesen. Für einen mittels in-situ-XRD und Wärmeflusskalorimetrie untersuchten Binder wurde gezeigt, dass die Phasen vorrangig in der Reihenfolge röntgenamorph > x-C2S > β-C2S > γ-C2S hydratisieren. Hydratationsprodukte sind nadelige C S H-Phasen und Portlandit.
Die Herstellung durch thermische Aktivierung von α-C2SH führt zu tafeligen Bindemittelpartikeln, die teilweise Zwickelräume und Poren zwischen den einzelnen Partikeln einschließen. Um eine verarbeitbare Bindemittelpaste zu erzeugen, sind daher sehr hohe Wasser/Bindemittel-Werte (z. B. 1,4) erforderlich. Der Wasseranspruch kann durch Mahlung etwa auf das Niveau von Zement gesenkt werden.
Die Druckfestigkeitsentwicklung wurde an zwei Niedertemperatur-C2S-Kompositbindern mit 40 % Kalksteinmehl bzw. 40 % Hüttensand untersucht. Aufgrund von theoretischen Betrachtungen zur Porosität in Abhängigkeit des w/b-Wertes wurde dieser auf 0,3 festgelegt. Durch Zugabe von PCE-Fließmittel wurde ein verarbeitbarer Mörtel erhalten. Die Festigkeitsentwicklung ist sehr schnell. Der Kalksteinmehl-Binder erreichte nach zwei Tagen 46 N/mm². Bis Tag 28 trat keine weitere Festigkeitssteigerung ein. Der Hüttensand-Binder erreichte nach zwei Tagen 62 N/mm². Durch die Hüttensandreaktion stieg die Festigkeit bis auf 85 N/mm² nach 28 Tagen an.
Für den Herstellungsprozess von Niedertemperatur-C2S-Binder wurden Energieverbräuche und CO2-Emissionen abgeschätzt. Es deutet sich an, dass, bezogen auf die Bindemittelmenge, keine wesentlichen Einsparungen im Vergleich zur Portlandzementherstellung möglich sind. Für die tatsächlichen Emissionen muss jedoch zusätzlich die Leistungsfähigkeit der Bindemittel berücksichtigt werden. Die Leistungsfähigkeit kann als erforderliche Bindemittelmenge betrachtet werden, die je m³ Beton eingesetzt werden muss, um bestimmte Festigkeits-, Dauerhaftigkeits- und Verarbeitungseigenschaften zu erreichen.
Aus verschiedenen Veröffentlichungen [94, 201, 206] wurde die These abgeleitet, dass die Leistungsfähigkeit eines Bindemittels maßgeblich von der C-S-H-Menge bestimmt wird, die während der Hydratation gebildet wird. Daher wird für NT-C2S-Binder eine außergewöhnlich hohe Leistungsfähigkeit erwartet.
Auf Basis der Leistungsfähigkeitsthese verringern sich die abgeschätzten CO2-Emissionen von NT-C2S-Bindern, sodass gegenüber Portlandzement ein mögliches Einsparpotenzial von 42 % ermittelt wurde.
During the previous decades, the upcoming demand for security in the digital world, e.g., the Internet, lead to numerous groundbreaking research topics in the field of cryptography. This thesis focuses on the design and analysis of cryptographic primitives and schemes to be used for authentication of data and communication endpoints, i.e., users. It is structured into three parts, where we present the first freely scalable multi-block-length block-cipher-based compression function (Counter-bDM) in the first part. The presented design is accompanied by a thorough security analysis regarding its preimage and collision security. The second and major part is devoted to password hashing. It is motivated by the large amount of leaked password during the last years and our discovery of side-channel attacks on scrypt – the first modern password scrambler that allowed to parameterize the amount of memory required to compute a password hash. After summarizing which properties we expect from a modern password scrambler, we (1) describe a cache-timing attack on scrypt based on its password-dependent memory-access pattern and (2) outline an additional attack vector – garbage-collector attacks – that exploits optimization which may disregard to overwrite the internally used memory. Based on our observations, we introduce Catena – the first memory-demanding password-scrambling framework that allows a password-independent memory-access pattern for resistance to the aforementioned attacks. Catena was submitted to the Password Hashing Competition (PHC) and, after two years of rigorous analysis, ended up as a finalist gaining special recognition for its agile framework approach and side-channel resistance. We provide six instances of Catena suitable for a variety of applications. We close the second part of this thesis with an overview of modern password scramblers regarding their functional, security, and general properties; supported by a brief analysis of their resistance to garbage-collector attacks. The third part of this thesis is dedicated to the integrity (authenticity of data) of nonce-based authenticated encryption schemes (NAE). We introduce the so-called j-IV-Collision Attack, allowing to obtain an upper bound for an adversary that is provided with a first successful forgery and tries to efficiently compute j additional forgeries for a particular NAE scheme (in short: reforgeability). Additionally, we introduce the corresponding security notion j-INT-CTXT and provide a comparative analysis (regarding j-INT-CTXT security) of the third-round submission to the CAESAR competition and the four classical and widely used NAE schemes CWC, CCM, EAX, and GCM.
Bunker—TV, TV—Bunker: Heterotope Mechanismen am Beispiel von Schutzbauwerken und (Fernseh-)Serien
(2017)
Die vorliegende Dissertation widmet sich anhand eines kurios anmutenden, aber auf einer Metaebene fruchtbaren Vergleichs von Schutzbauwerken und Fernsehserien historischen und aktuellen Mechanismen menschlichen Denkens und Handelns.
Als theoretische Basis dieser Abhandlung fungiert die Heterotopie – ein Konzept des französischen Philosophen Michel Foucault. Die Heterotopie ist ein inflationär gebrauchtes, oft nur oberflächlich betrachtetes Theorem. Das Konzept wird hier nun mit Blick auf das Gesamtwerk Foucaults en détail untersucht sowie um korrelierende Ansätze (Augé, Lefebvre, Soja ...) ergänzt. Aus dieser Betrachtung lässt sich ein über Foucault hinausgehender, analytisch nutzbarer Katalog ableiten.
Verkürzt wird die Heterotopie folgendermaßen bestimmt: Neben der Definition der Heterotopie als Raum des Anderen, als (gesellschaftskritischer) Gegenraum kann sie dem wie auch immer bestimmten Normalraum unterstellt sein. Die Heterotopie ist möglicherweise eine bauliche Manifestation schwarz-weißen Denkens, von Ausgrenzung und sichtbarer Unsichtbarkeit, sie wird zur Realisation wie auch immer definierter Ideale oder Stereotypen. Die Heterotopie ist allerdings auch als ein (hybrides) Dazwischen denkbar, welches sich als katalytischer Raum, im dialektischen Sinne als Ort der Synthese äußert. Es könnte als Niemandsland oder als Phase (im Leben) charakterisiert werden.
Analog zum letzten Beispiel lässt sich die Heterotopie als progressiv-seriell beschreiben. Ihre stagnierend bis variierende Serialität kann sich im Betreten identischer Räume äußern – mal als verlässlich oder ermüdend empfunden.
Nicht nur die einem entsprechenden Raum entgegengebrachten Konnotationen sind vielfältig bis ambivalent, die Heterotopie ist neben real-räumlicher auch virtueller Fasson: Betonmauer finden bisweilen eine Entsprechung im einfachen Harmoniefernsehen. Einander heterotop gegenüberstehenden Räumen wird etwa mit der Figur Walter White in der komplexen Fernsehserie "Breaking Bad" entsprochen – ist er doch hin und her gerissen zwischen seiner biederen, aber geliebten Familie einerseits und der abstoßend gewalttätigen, aber extrovertierende Potentiale bergenden Drogenproduktion andererseits.
Die sogenannte Leihkörperschaft bzw. die Immersion lassen sich zur Beschreibung verschiedener Heterotopie-Erfahrungen nutzen. Dieses Eintauchen/Betreten wird hier als Rezeptionsphänomen zwischen sensomotorischer Illusion und inhaltlich-narrativem Sog, zw. Fixierung des Körpers und Einbezug desselbigen definiert.
Die beiden Untersuchungsfelder werden jeweils für sich historisch und theoretisch umrissen. Zum noch jungen Feld serieller Theorie/der Definition narrativer Typen (im TV bzw. dem Qualitätsfernsehen) wird ein einführender Überblick geboten.
Die praktischen Arbeiten setzen sich ästhetisch, narrativ und inhaltlich mit der Heterotopie auseinander: In "Habitat" und "Habitat 2" werden serielle Konzepte audiovisuell (u. a. als Fulldome-Version) erprobt. Dabei wird insbesondere das Heterotope im Konzept "Autor" untersucht – der Autor als distinkte und gleichsam konfliktbehaftete, in zahlreiche Subjekte zerlegte Figur. "Habitat 3" ist ein Publikationskonzept, welches mit etablierten (heterotopen) Strukturen des Sammelbands bricht und zugleich die heterotopen Facetten des fiktionalen Fernsehens simuliert.
Band I beinhaltet sowohl den theoretischen Teil der Promotion als auch die Erläuterung der praktischen Arbeiten. Band II ermöglicht einen Einblick in die konzeptionellen Prozesse hinter den drei künstlerischen Projekten.
This research addresses the discourse of tourism as a tool for place-making of urban destination. Relevant to the study of place-making is the analysis of the commoditization and localization process dependent upon the appropriation of urban landscape and local cultures. In the research, localization is interpreted as the act of determining the attributes of locality, while commoditization is defined as the process by which local attributes that have commercial potential end up in becoming tourism commodity. Following this, the commoditization of intrinsic cultural value is disseminated within a branding strategy and intervention reflecting social and political relations. Therefore, the research suggests that tourism place-making has not only been constructed through the top-down regulatory body, but has been also generated through the attributes of its locality. By utilizing the critical and constructivist paradigm, the research depicts the conditions of the localization and commoditization process in establishing the base line of its realization within the symbolic economy. Thus, a qualitative case study approach was adopted. The study area of this dissertation is Palembang, as one of the capital cities in Indonesia advancing in its overall urban development. To investigate urban tourism as a tool for development strategy, it is useful to investigate the role of tourism which embodies (1) spatial transformation; how tourism gives significant impacts on urban form, and (2) the socio-cultural aspect; how neighbourhood is related to tourism industry. The findings suggest that tourism place-making involves the reciprocity of urban dynamics: cities take on tourism as a reference model of development, and tourist areas adopt the proliferation of cultural lifestyle to meet the industry’s demands.
The main categories of wind effects on long span bridge decks are buffeting, flutter, vortex-induced vibrations (VIV) which are often critical for the safety and serviceability of the structure. With the rapid increase of bridge spans, research on controlling wind-induced vibrations of long span bridges has been a problem of great concern.The developments of vibration control theories have led to the wide use of tuned mass dampers (TMDs) which has been proven to be effective for suppressing these vibrations both analytically and experimentally. Fire incidents are also of special interest in the stability and safety of long span bridges due to significant role of the complex phenomenon through triple interaction between the deck with the incoming wind flow and the thermal boundary of the surrounding air.
This work begins with analyzing the buffeting response and flutter instability of three dimensional computational structural dynamics (CSD) models of a cable stayed bridge due to strong wind excitations using ABAQUS finite element commercial software. Optimization and global sensitivity analysis are utilized to target the vertical and torsional vibrations of the segmental deck through considering three aerodynamic parameters (wind attack angle, deck streamlined length and viscous damping of the stay cables). The numerical simulations results in conjunction with the frequency analysis results emphasized the existence of these vibrations and further theoretical studies are possible with a high level of accuracy. Model validation is performed by comparing the results of lift and moment coefficients between the created CSD models and two benchmarks from the literature (flat plate theory) and flat plate by (Xavier and co-authors) which resulted in very good agreements between them. Optimum values of the parameters have been identified. Global sensitivity analysis based on Monte Carlo sampling method was utilized to formulate the surrogate models and calculate the sensitivity indices. The rational effect and the role of each parameter on the aerodynamic stability of the structure were calculated and efficient insight has been constructed for the stability of the long span bridge.
2D computational fluid dynamics (CFD) models of the decks are created with the support of MATLAB codes to simulate and analyze the vortex shedding and VIV of the deck. Three aerodynamic parameters (wind speed, deck streamlined length and dynamic viscosity of the air) are dedicated to study their effects on the kinetic energy of the system and the vortices shapes and patterns. Two benchmarks from the literature (Von Karman) and (Dyrbye and Hansen) are used to validate the numerical simulations of the vortex shedding for the CFD models. A good consent between the results was detected. Latin hypercube experimental
method is dedicated to generate the surrogate models for the kinetic energy of the system and the generated lift forces. Variance based sensitivity analysis is utilized to calculate the main sensitivity indices and the interaction orders for each parameter. The kinetic energy approach performed very well in revealing the rational effect and the role of each parameter in the generation of vortex shedding and predicting the early VIV and the critical wind speed.
Both one-way fluid-structure interaction (one-way FSI) simulations and two-way fluid-structure interaction (two-way FSI) co-simulations for the 2D models of the deck are executed to calculate the shedding frequencies for the associated wind speeds in the lock-in region in addition to the lift and drag coefficients. Validation is executed with the results of (Simiu and Scanlan) and the results of flat plate theory compiled by (Munson and co-authors) respectively. High levels of agreements between all the results were detected. A decrease in the critical wind speed and the shedding frequencies considering (two-way FSI) was identified compared to those obtained in the (one-way FSI). The results from the (two-way FSI) approach predicted appreciable decrease in the lift and drag forces as well as prediction of earlier VIV for lower critical wind speeds and lock-in regions which exist at lower natural frequencies of the system. These conclusions help the designers to efficiently plan and consider for the design and safety of the long span bridge before and after construction.
Multiple tuned mass dampers (MTMDs) system has been applied in the three dimensional CSD models of the cable stayed bridge to analyze their control efficiency in suppressing both wind -induced vertical and torsional vibrations of the deck by optimizing three design parameters (mass ratio, frequency ratio and damping ratio) for the (TMDs) supporting on actual field data and minimax optimization technique in addition to MATLAB codes and Fast Fourier Transform technique. The optimum values of each parameter were identified and validated with two benchmarks from the literature, first with (Wang and co-authors) and then with (Lin and co-authors). The validation procedure detected a good agreement between the results. Box-Behnken experimental method is dedicated to formulate the surrogate models to represent the control efficiency of the vertical and torsional vibrations. Sobol's sensitivity indices are calculated for the design parameters in addition to their interaction orders. The optimization results revealed better performance of the MTMDs in controlling both the vertical and the torsional vibrations for higher mode shapes. Furthermore, the calculated rational effect of each design parameter facilitates to increase the control efficiency of the MTMDs in conjunction with the support of the surrogate models which simplifies the process of analysis for vibration control to a great extent.
A novel structural modification approach has been adopted to eliminate the early coupling between the bending and torsional mode shapes of the cable stayed bridge. Two lateral steel
beams are added to the middle span of the structure. Frequency analysis is dedicated to obtain the natural frequencies of the first eight mode shapes of vibrations before and after the structural modification. Numerical simulations of wind excitations are conducted for the 3D model of the cable stayed bridge. Both vertical and torsional displacements are calculated at the mid span of the deck to analyze the bending and the torsional stiffness of the system before and after the structural modification. The results of the frequency analysis after applying lateral steel beams declared that the coupling between the vertical and torsional mode shapes of vibrations has been removed to larger natural frequencies magnitudes and higher rare critical wind speeds with a high factor of safety.
Finally, thermal fluid-structure interaction (TFSI) and coupled thermal-stress analysis are utilized to identify the effects of transient and steady state heat-transfer on the VIV and fatigue of the deck due to fire incidents. Numerical simulations of TFSI models of the deck are dedicated to calculate the lift and drag forces in addition to determining the lock-in regions once using FSI models and another using TFSI models. Vorticity and thermal fields of three fire scenarios are simulated and analyzed. The benchmark of (Simiu and Scanlan) is used to validate the TFSI models, where a good agreement was manifested between the two results. Extended finite element method (XFEM) is adopted to create 3D models of the cable stayed bridge to simulate the fatigue of the deck considering three fire scenarios. The benchmark of (Choi and Shin) is used to validate the damaged models of the deck in which a good coincide was seen between them. The results revealed that the TFSI models and the coupled thermal-stress models are significant in detecting earlier vortex induced vibration and lock-in regions in addition to predicting damages and fatigue of the deck and identifying the role of wind-induced vibrations in speeding up the damage generation and the collapse of the structure in critical situations.
Die Festigkeitsentwicklung des Zementbetons basiert auf der chemischen Reaktion des Zementes mit dem Anmachwasser. Durch Nachbehandlungsmaßnahmen muss dafür gesorgt werden, dass dem Zement genügend Wasser für seine Reaktion zur Verfügung steht, da sonst ein Beton mit minderer Qualität entsteht. Die vorliegende Arbeit behandelt die grundsätzlichen Fragen der Betonnachbehandlung bei Anwendung von Straßenbetonen. Im Speziellen wird die Frage des erforderlichen Nachbehandlungsbedarfs von hüttensandhaltigen Kompositzementen betrachtet. Die Wirkung der Nachbehandlung wird anhand des erreichten Frost-Tausalz-Widerstandes und der Gefügeausbildung in der unmittelbaren Betonrandzone bewertet. Der Fokus der Untersuchungen lag auf abgezogenen Betonoberflächen. Es wurde ein Modell zur Austrocknung des jungen Betons erarbeitet. Es konnte gezeigt werden, dass in einer frühen Austrocknung (Kapillarphase) keine kritische Austrocknung der Betonrandzone einsetzt, sondern der Beton annährend gleichmäßig über die Höhe austrocknet. Es wurde ein Nomogramm entwickelt, mit dem die Dauer der Kapillarphase in Abhängigkeit der Witterung für Straßenbetone abgeschätzt werden kann. Eine kritische Austrocknung der wichtigen Randzone setzt nach Ende der Kapillarphase ein. Für Betone unter Verwendung von Zementen mit langsamer Festigkeitsentwicklung ist die Austrocknung der Randzone nach Ende der Kapillarphase besonders ausgeprägt. Im Ergebnis zeigen diese Betone dann einen geringen Frost-Tausalz-Widerstand. Mit Zementen, die eine 2d-Zementdruckfestigkeit ≥ 23,0 N/mm² aufweisen, wurde unabhängig von der Zementart (CEM I oder CEM II/B-S) auch dann ein hoher Frost-Tausalz-Widerstand erreicht, wenn keine oder eine schlechtere Nachbehandlung angewendet wurde. Für die Praxis ergibt sich damit eine einfache Möglichkeit der Vorauswahl von geeigneten Zementen für den Verkehrsflächenbau. Betone, die unter Verwendung von Zementen mit langsamere Festigkeitsentwicklung hergestellt werden, erreichen einen hohen Frost-Tausalz-Widerstand nur mit einer geeigneten Nachbehandlung. Die Anwendung von flüssigen Nachbehandlungsmitteln (NBM gemäß TL NBM-StB) erreicht eine ähnliche Wirksamkeit wie eine 5 tägige Feuchtnachbehandlung. Voraussetzung für die Wirksamkeit der NBM ist, dass sie auf eine Betonoberfläche ohne sichtbaren Feuchtigkeitsfilm (feuchter Glanz) aufgesprüht werden. Besonders wichtig ist die Beachtung des richtigen Auftragszeitpunktes bei kühler Witterung, da hier aufgrund der verlangsamten Zementreaktion der Beton länger Anmachwasser abstößt. Ein zu früher Auftrag des Nachbehandlungsmittels führt zu einer Verschlechterung der Qualität der Betonrandzone. Durch Bereitstellung hydratationsabhängiger Transportkenngrößen (Feuchtetransport im Beton) konnten numerische Berechnungen zum Zusammenspiel zwischen der Austrocknung, der Nachbehandlung und der Gefügeentwicklung durchgeführt werden. Mit dem erstellten Berechnungsmodell wurden Parameterstudien durchgeführt. Die Berechnungen bestätigen die wesentlichen Erkenntnisse der Laboruntersuchungen. Darüber hinaus lässt sich mit dem Berechnungsmodell zeigen, dass gerade bei langsam reagierenden Zementen und kühler Witterung ohne eine Nachbehandlung eine sehr dünne Randzone (ca. 500 µm – 1000 µm) mit stark erhöhter Kapillarporosität entsteht.
In the early 2000s the pre-Columbian, anthropologically produced black soil in the Amazon basin, „Terra Preta de Índio“, received greater scientific attention. Compared to the surrounding poor soils, this very fertile anthrosol contains significantly higher levels of microorganisms and nutrients. The reason for this was determined to be the likewise high levels of charred biomass. This stable carbon, now called biochar, has since been intensively examined as an option to improve soil and to store carbon.
Although the creation of Terra Preta was most likely based on a purposeful utilization of organic residues from households and gardens, biochar plays no role in the current recycling of bio-waste. However, the implementation of biochar could lead to many improvements. Results from agricultural research suggest that not only the yield capacity of soils can be increased but also the process performance of composting and biogas plants.
The latter is especially relevant since currently about 40% of all collected bio-waste in Germany is recycled in an energy-material cascade consisting of anaerobic digestion and composting. The use of biochar in this cascade could then sequentially increase biogas yields, reduce greenhouse gas emissions, and improve compost quality.
To realize the aforementioned advantages, the concept of biochar has to be integrated into the existing bio-waste cascade as practically as possible. This was done by the development of a theoretical scenario that allowed the analysis of energy and material flows to evaluate biochar’s recycling performance. Furthermore, the legal and economic framework were examined to assess the feasibility of the extended cascade and to suggest possible adjustments to the frameworks.
Diese Arbeit belegt, dass die Belastungen auf reversibel arbeitende keramische Materialien sehr gering ausfallen. Die regenerative Sauerstoffbereitstellung stellt damit grundsätzlich niedrigere Anforderungen an die keramischen Perowskit-Materialien zur Sauerstofferzeugung als die Membrantechnologie.
Das Absinken der Diffusionskoeffizienten bei niedrigen Temperaturen ist deutlich weniger nachteilig als bei den Membranen die vergleichbare Materialien nutzen.
Dies konnte gezeigt werde, indem mit der die O 2 -Entladetechnik und -Beladetechnik im Vergleich zur O 2 -Abtrennung durch keramische Membranen bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen bereits große O 2 -Mengen erzeugt werden können. Infolge der niedrigen Temperaturen bestehen keine Probleme mit Reaktionen zwischen dem sauerstoffbereitstellenden Material und den Reaktorwerkstoffen. Dadurch gestaltet sich die Einbindung und Nutzung von Festbett-Schüttungen denkbar einfach. Im Vergleich dazu sind die Anbindung und der Betrieb von dünnen keramischen Membranen in einem Reaktor deutlich aufwendiger. Es ist weniger Peripherie und verfahrenstechnischer Aufwand zur Sauerstoffabtrennung durch reversibel arbeitende Materialien nötig als bei der kryogenen Luftzerlegung, der Druckwechseladsorption oder den Membrantechnologien.
Die regenerative Sauerstoffbereitstellung kann sowohl bei neuen als auch bestehenden Anlagen, die Sauerstoff benötigen implementiert werden. Damit ist es möglich den Transport des Sauerstoffs entfallen zu lassen. Eine partielle Phasenumwandlung des BSCF8020 bei erhöhter Temperatur und hohem Sauerstoffangebot spielt für die regenerative Sauerstoffbereitstellung eine untergeordnete Rolle, da die nötigen Zieltemperaturen (450 ggf. bis 650 °C) zur O 2 -Beladung und -Entladung niedriger sind, als der Temperaturbereich in dem die Zersetzung auftreten kann (750 bis 800 °C). Des Weiteren ist die Zeitspanne (O 2 -Beladungsteilzyklus) in der das BSCF8020 ausreichend hohen Sauerstoffgehalten (p O2 > 10 -3 bar) ausgesetzt ist, zu kurz um diese Umwandlungen zu vollziehen. Der O 2 -Entladungsteilzyklus sorgt zusätzlich immer dafür, dass sich u. U. beginnende Zersetzung zurückbildet, da die kubische Phase in Richtung niedrigerer p O2 stabilisiert wird.
Es konnte belegt werden, dass die elektronische Steuerung des zyklischen Sauerstoffausbaus und -einbaus beherrschbar ist. Der hohe Abtrenngrad der keramischen Materialien führt dazu, dass der Sauerstoff elektrolytisch rein zu Verfügung gestellt wird. Grundsätzlich sind weitere Forschungen zur Steigerung der Sauerstoffmengen, die pro eingesetzter Masseeinheit an Keramik gewonnen werden können, immer anzustreben, da damit u. U. der Materialeinsatz weiter gesenkt oder auch die energetischen Aufwendungen weiter reduziert werden können. Bei dem, für die multizyklischen Untersuchungen dieser Arbeit ausgewählten BSCF8020(SVT) hat die Cobalt-Komponente mit ca. 80 % den überwiegenden Kostenanteil am Sauerstoff bereitstellenden Material. BSCF-Keramiken mit höherem Eisen-Anteil sollten für multizyklische Anwendungen in Festbett-Reaktoren einer vertiefenden Charakterisierung unterzogen werden, um weitere geeignete Perowskite mit niedrigen Materialkosten zu erschließen.