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Nonlocal theories concern the interaction of objects, which are separated in space. Classical examples are Coulomb’s law or Newton’s law of universal gravitation. They had signficiant impact in physics and engineering. One classical application in mechanics is the failure of quasi-brittle materials. While local models lead to an ill-posed boundary value problem and associated mesh dependent results, nonlocal models guarantee the well-posedness and are furthermore relatively easy to implement into commercial computational software.
In this paper we propose a novel and efficient rasterization-based approach for direct rendering of isosurfaces. Our method exploits the capabilities of task and mesh shader pipelines to identify subvolumes containing potentially visible isosurface geometry, and to efficiently extract primitives which are consumed on the fly by the rasterizer. As a result, our approach requires little preprocessing and negligible additional memory. Direct isosurface rasterization is competitive in terms of rendering performance when compared with ray-marching-based approaches, and significantly outperforms them for increasing resolution in most situations. Since our approach is entirely rasterization based, it affords straightforward integration into existing rendering pipelines, while allowing the use of modern graphics hardware features, such as multi-view stereo for efficient rendering of stereoscopic image pairs for geometry-bound applications. Direct isosurface rasterization is suitable for applications where isosurface geometry is highly variable, such as interactive analysis scenarios for static and dynamic data sets that require frequent isovalue adjustment.
Das Wissen um den realen Zustand eines Bauprojektes stellt eine entscheidende Kernkompetenz eines steuernden bauausführenden Unternehmens dar. Der bewusste Umgang mit Informationen und deren effiziente Nutzung sind entscheidende Erfolgsfaktoren für die zeit-, kosten- und qualitätsgerechte Realisierung von Bauprojekten.
Obwohl die erforderlichen Erfolgsfaktoren bekannt sind, sind Kosten- und Terminüberschreitungen von Bauprojekten keine Seltenheit – eher das Gegenteil ist der Fall.
Zukunftsweisende Digitalisierungsprojekte aber geben Anlass zu Hoffnung. Ein Beispiel ist der bereits im Dezember 2015 vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur ins Leben gerufene Stufenplan Digitales Planen und Bauen. Dieser hat die Aufgabe flächendeckend die Methodik des Building Information Modeling (BIM) im Infrastrukturbereich einzuführen und somit die Digitalisierung in Deutschland zukunftsweisend voranzutreiben,
indem erfolgreiche Bauprojekte mit durchgängigen Informationsflüssen arbeiten. Seither existiert eine Vielzahl an Digitalisierungsprojekten, alle mit gleichen Zielen. Nachweislich
lassen sich hinsichtlich dessen allerdings auch vermehrt Defizite aufzeigen. So ist der
Fortschritt sehr heterogen verteilt und lässt sich für die Branche nicht allgemeingültig festlegen.
Mit einer internationalen Literaturrecherche sowie einer empirischen Studie als Untersuchungsmethode wurde in Form von Interviews mit Fachkundigen der tatsächliche Zustand der Digitalisierungs- und der BIM-Anwendungen im Straßenbau für den
Controllingprozess der Bauleistungsfeststellung untersucht. Die erhobenen Daten wurden
aufbereitet und anschließend softwaregestützt einer inhaltlichen Analyse unterzogen. In
Kombination mit den Ergebnissen der Literaturrecherche wurden notwendige Anforderungen
für den Controllingprozess der Bauleistungsfeststellung erhoben. Auf dieser Grundlage wurde
ein Modell im Sinne der Systemtheorie zur Optimierung der Bauleistungsfeststellung
entwickelt. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Integration der modellbasierten Arbeitsweise in die Prozesse der Bauleistungsfeststellung eines Bauunternehmens. Grundlage ist die objektive Auswertung des Fertigstellungsgrades (Baufortschrittes) mittels Luftbildaufnahmen. Deren Auswertung auf Basis eines Algorithmus und die systematische Identifikation des Baufortschrittes integriert in den Prozess der Bauleistungsfeststellung werden zu einem neu entwickelten Gesamtsystem mit dem Ergebnis eines optimierten Modells.
Das entwickelte Modell wurde hinsichtlich Anwendbarkeit und praktischer Relevanz an
ausgewählten Beispielszenarien untersucht und nachgewiesen.
Biomembranes are selectively permeable barriers that separate the internal components of the cell from its surroundings. They have remarkable mechanical behavior which is characterized by many phenomena, but most noticeably their fluid-like in-plane behavior and solid-like out-of-plane behavior. Vesicles have been studied in the context of discrete models, such as Molecular Dynamics, Monte Carlo methods, Dissipative Particle Dynamics, and Brownian Dynamics. Those methods, however, tend to have high computational costs, which limited their uses for studying atomistic details. In order to broaden the scope of this research, we resort to the continuum models, where the atomistic details of the vesicles are neglected, and the focus shifts to the overall morphological evolution. Under the umbrella of continuum models, vesicles morphology has been studied extensively. However, most of those studies were limited to the mechanical response of vesicles by considering only the bending energy and aiming for the solution by minimizing the total energy of the system. Most of the literature is divided between two geometrical representation methods; the sharp interface methods and the diffusive interface methods. Both of those methods track the boundaries and interfaces implicitly. In this research, we focus our attention on solving two non-trivial problems. In the first one, we study a constrained Willmore problem coupled with an electrical field, and in the second one, we investigate the hydrodynamics of a vesicle doublet suspended in an external viscous fluid flow.
For the first problem, we solve a constrained Willmore problem coupled with an electrical field using isogeometric analysis to study the morphological evolution of vesicles subjected to static electrical fields. The model comprises two phases, the lipid bilayer, and the electrolyte. This two-phase problem is modeled using the phase-field method, which is a subclass of the diffusive interface methods mentioned earlier. The bending, flexoelectric, and dielectric energies of the model are reformulated using the phase-field parameter. A modified Augmented-Lagrangian (ALM) approach was used to satisfy the constraints while maintaining numerical stability and a relatively large time step. This approach guarantees the satisfaction of the constraints at each time step over the entire temporal domain.
In the second problem, we study the hydrodynamics of vesicle doublet suspended in an external viscous fluid flow. Vesicles in this part of the research are also modeled using the phase-field model. The bending energy and energies associated with enforcing the global volume and area are considered. In addition, the local inextensibility condition is ensured by introducing an additional equation to the system. To prevent the vesicles from numerically overlapping, we deploy an interaction energy definition to maintain a short-range repulsion between the vesicles. The fluid flow is modeled using the incompressible Navier-Stokes equations and the vesicle evolution in time is modeled using two advection equations describing the process of advecting each vesicle by the fluid flow. To overcome the velocity-pressure saddle point system, we apply the Residual-Based Variational MultiScale (RBVMS) method to the Navier-Stokes equations and solve the coupled systems using isogeometric analysis. We study vesicle doublet hydrodynamics in shear flow, planar extensional flow, and parabolic flow under various configurations and boundary conditions.
The results reveal several interesting points about the electrodynamics and hydrodynamics responses of single vesicles and vesicle doublets. But first, it can be seen that isogeometric analysis as a numerical tool has the ability to model and solve 4th-order PDEs in a primal variational framework at extreme efficiency and accuracy due to the abilities embedded within the NURBS functions without the need to reduce the order of the PDE by creating an intermediate environment. Refinement whether by knot insertion, order increasing or both is far easier to obtain than traditional mesh-based methods. Given the wide variety of phenomena in natural sciences and engineering that are mathematically modeled by high-order PDEs, the isogeometric analysis is among the most robust methods to address such problems as the basis functions can easily attain high global continuity.
On the applicational side, we study the vesicle morphological evolution based on the electromechanical liquid-crystal model in 3D settings. This model describing the evolution of vesicles is composed of time-dependent, highly nonlinear, high-order PDEs, which are nontrivial to solve. Solving this problem requires robust numerical methods, such as isogeometric analysis. We concluded that the vesicle tends to deform under increasing magnitudes of electric fields from the original sphere shape to an oblate-like shape. This evolution is affected by many factors and requires fine-tuning of several parameters, mainly the regularization parameter which controls the thickness of the diffusive interface width. But it is most affected by the method used for enforcing the constraints. The penalty method in presence of an electrical field tends to lock on the initial phase-field and prevent any evolution while a modified version of the ALM has proven to be sufficiently stable and accurate to let the phase-field evolve while satisfying the constraints over time at each time step. We show additionally the effect of including the flexoelectric nature of the Biomembranes in the computation and how it affects the shape evolution as well as the effect of having different conductivity ratios. All the examples were solved based on a staggered scheme, which reduces the computational cost significantly.
For the second part of the research, we consider vesicle doublet suspended in a shear flow, in a planar extensional flow, and in a parabolic flow. When the vesicle doublet is suspended in a shear flow, it can either slip past each other or slide on top of each other based on the value of the vertical displacement, that is the vertical distance between the center of masses between the two vesicles, and the velocity profile applied. When the vesicle doublet is suspended in a planar extensional flow in a configuration that resembles a junction, the time in which both vesicles separate depends largely on the value of the vertical displacement after displacing as much fluid from between the two vesicles. However, when the vesicles are suspended in a tubular channel with a parabolic fluid flow, they develop a parachute-like shape upon converging towards each other before exiting the computational domain from the predetermined outlets. This shape however is affected largely by the height of the tubular channel in which the vesicle is suspended. The velocity essential boundary conditions are imposed weakly and strongly. The weak implementation of the boundary conditions was used when the velocity profile was defined on the entire boundary, while the strong implementation was used when the velocity profile was defined on a part of the boundary. The strong implementation of the essential boundary conditions was done by selectively applying it to the predetermined set of elements in a parallel-based code. This allowed us to simulate vesicle hydrodynamics in a computational domain with multiple inlets and outlets. We also investigate the hydrodynamics of oblate-like shape vesicles in a parabolic flow. This work has been done in 2D configuration because of the immense computational load resulting from a large number of degrees of freedom, but we are actively seeking to expand it to 3D settings and test a broader set of parameters and geometrical configurations.
The imperative to transform current energy provisions is widely acknowledged. However, scant attention has hitherto been directed toward rural municipalities and their innate resources, notably biogenic resources. In this paper, a methodological framework is developed to interconnect resources from waste, wastewater, and agricultural domains for energy utilization. This entails cataloging existing resources, delineating their potential via quantitative assessments utilizing diverse technologies, and encapsulating them in a conceptual model. The formulated models underwent iterative evaluation with engagement from diverse stakeholders. Consequently, 3 main concepts, complemented by 72 sub-concepts, were delineated, all fostering positive contributions to climate protection and providing heat supply in the rural study area. The outcomes’ replicability is underscored by the study area’s generic structure and the employed methodology. Through these inquiries, a framework for the requisite energy transition, with a pronounced emphasis on the coupling of waste, wastewater, and agriculture sectors in rural environments, is robustly analyzed.
Gründungsunternehmen stehen vor der Herausforderung, eine unternehmerische Leistung zu entwickeln und gleichzeitig eine Markenidentität aufzubauen. Dabei sind sie mit finanziellen, personellen und strukturellen Besonderheiten konfrontiert, aber auch mit Unbekanntheit und Kundenunsicherheit. Die Dissertation zielt darauf ab, durch die Analyse markenbildender Strategiepraktiken einen Beitrag zur wissenschaftlichen Auseinandersetzung mit der Markenbildung bei Gründungsunternehmen zu leisten und praktische Implikationen für angehende Gründer:innen sowie akademische Startup-Inkubatoren abzuleiten.
Der Fokus liegt dabei auf Gründungsvorhaben und Startups in der Vorgründungs- oder frühen Gründungsphase aus dem Hochschulumfeld. Zur Analyse markenbildender Strategiepraktiken wird der Strategy-as-Practice Ansatz (SAP) angewendet. Die qualitative Forschungsmethodik wird genutzt, um Handlungsmuster bestimmter Akteursgruppen in diesem spezifischen Kontext zu rekonstruieren. Beobachtungen, Interviews und Dokumente im Feld dienen als Grundlage für die Forschung.
Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern umfassende Einblicke in die markenbildende Praxis bei Gründungsunternehmen. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde ein Modell entwickelt, das Komponenten beschreibt, die zusammen einen Handlungsrahmen für die Markenbildung in emergenten Strategiekontexten wie der Unternehmensgründung bilden. Dieses Modell bietet die Möglichkeit, sich vor dem Hintergrund der gründungsspezifischen Rahmenbedingungen mit der Markenentwicklung in der frühen Gründungsphase auseinanderzusetzen und sie systematisch in das Gründungsvorhaben zu implementieren.
Die fortschreitende Digitalisierung lässt innovative bauprojekt- und unternehmensinterne Workflows sowie Organisationssysteme entstehen. In diesem Zusammenhang ist die digitale Fortentwicklung durch Building Information Modeling [BIM] als Veränderungsprozess zu definieren, der Organisationsstrukturen nachhaltig umformen wird. BIM ist die führende digitale Arbeitsmethodik im Bauwesen, die entwurfs-, ausführungs- und bauprojektbezogenen Belangen gerecht werden kann. Die deutsche Bauwirtschaft ist im Vergleich zu anderen Branchen jedoch als digital rückständig zu betrachten. Sie ist durch einen Markt gekennzeichnet, an dem kleine und mittelständische Unternehmen [KMU] in hoher Zahl vertreten sind. Aufgrund von Anwendungsunkenntnis der kleinen und mittelständischen Unternehmen fehlt der flächendeckende und durchgängige BIM-Einsatz in Projekten. Mit dem Fokus auf dem Bauprojekt als temporärer Organisation adressiert der vorliegende Forschungsschwerpunkt die Schaffung eines realistischen Abbilds erprobter BIM-Anwendungsfälle in Modellprojekten. Herausgearbeitet werden derzeit bestehende BIM-Herausforderungen für Erstanwender, die die durchgängige BIM-Anwendung in Deutschland bisher hemmen.
Die Forschungsarbeit fokussiert sich auf die Evaluation erfolgskritischer Faktoren [ekF] in BIM-Anwendungsfällen [AWF] im Rahmen einer qualitativen Inhaltsanalyse. Die digitale Transformation birgt strukturrelevante Veränderungsdeterminanten für Organisationen durch die BIM-Anwendung und außerdem Herausforderungen, die in der Anwendungsfallforschung betrachtet werden.
Die Zielstellung ist dreiteilig. Ein entwickeltes BIM-Strukturmodell erfasst die aktuelle Richtlinienarbeit sowie Standardisierung und stellt dadurch den Rahmen notwendiger BIM-Strukturen im Bauprojekt auf. Aus dem Strukturmodell ist ein Modell zur Prüfung von Anwendungsfallrisiken abgeleitet worden. Dieses wird auf gezielt recherchierte BIM-Modellprojekte in Deutschland angewendet, um aus den erfolgskritischen Faktoren der darin praktizierten BIM-Anwendungsfälle eine ekF-Risikomatrix abzuleiten. Daraus geht ein unterstützendes BIM-Anwendungsinstrument in Form von BPMN-Abläufen für KMU hervor. Resultierend aus der Verbindung des BIM-Strukturmodels und der Anwendungsfallanalyse wird in den einzelnen Ablaufübersichten eine Risikoverortung je Anwendungsfall kenntlich gemacht. Unternehmen ohne BIM-Anwendungsexpertise in Bauprojektorganisationen erhalten auf diese Weise einen instrumentellen und niederschwelligen Zugang zu BIM, um die kollaborativen und wirtschaftlichen Vorteile der digitalen Arbeitsmethodik nutzen zu können.
Experimental Validation of Dynamic Response of Small-Scale Metaconcrete Beams at Resonance Vibration
(2023)
Structures and their components experience substantially large vibration amplitudes at resonance, which can cause their failure. The scope of this study is the utilization of silicone-coated steel balls in concrete as damping aggregates to suppress the resonance vibration. The heavy steel cores oscillate with a frequency close to the resonance frequency of the structure. Due to the phase difference between the vibrations of the cores and the structure, the cores counteract the vibration of the structure. The core-coating inclusions are randomly distributed in concrete similar to standard aggregates. This mixture is referred to as metaconcrete. The main goal of this work is to validate the ability of the inclusions to suppress mechanical vibration through laboratory experiments. For this purpose, two small-scale metaconcrete beams were cast and tested. In a free vibration test, the metaconcrete beams exhibited a larger damping ratio compared to a similar beam cast from conventional concrete. The vibration amplitudes of the metaconcrete beams at resonance were measured with a frequency sweep test. In comparison with the conventional concrete beam, both metaconcrete beams demonstrated smaller vibration amplitudes. Both experiments verified an improvement in the dynamic response of the metaconcrete beams at resonance vibration.
Care of ageing adults has become a dominant field of application for assistive robot technologies, promising support for ageing adults residing in care homes and staff, in dealing with practical routine tasks and providing social and emotional relieve. A time consuming and human intensive necessity is the maintenance of high hygiene quality in care homes. Robotic vacuum cleaners have been proven effective for doing the job elsewhere, but—in the context of care homes—are counterproductive for residents’ well-being and do not get accepted. This is because people with dementia manifest their agency in more implicit and emotional ways, while making sense of the world around them. Starting from these premises, we explored how a zoomorphic designed vacuum cleaner could better accommodate the sensemaking of people with dementia. Our design reconceptualises robotic vacuum cleaners as a cat-like robot, referring to a playful behaviour and appearance to communicate a non-threatening and familiar role model. Data from an observational study shows that residents responded positively to our prototype, as most of them engaged playfully with it as if it was a pet or a cat-like toy, for example luring it with gestures. Some residents simply ignored the robot, indicating that it was not perceived as frightening or annoying. The level of activity influenced reactions; residents ignored our prototype if busy with other occupations, which proves that it did not cause significant disturbance. We further report results from focus group sessions with formal and informal caregivers who discussed a video prototype of our robot. Caregivers encouraged us to enhance the animal like characteristics (in behaviour and materiality) even further to result in richer interactions and provoke haptic pleasure but also pointed out that residents should not mistake the robot for a real cat.
Dieser Handlungsleitfaden möchte die gemeinwohlorientierte Vergabe von Räumen und Flächen an zivilgesellschaftliche Gruppen stärken. Er ist als Inspirationssammlung zu verstehen, die den Weg zu neuen Kooperationen zwischen öffentlichen und zivilgesellschaftlichen Akteuren erleichtern soll. Wissenswertesund inspirierende Beispiele bieten eine Starthilfe, um nicht nur einzelne stadträumliche Experimente zu wagen, sondern die gemeinwohlorientierte Flächen- und Raumvergabe an zivilgesellschaftliche Gruppen kommunal zu verankern. Denn öffentliche Liegenschaften sind nach vielen Jahren der Privatisierung eine rare Ressource, die umso mehr dem Gemeinwohl dienen sollte.