Cell cycle regulation is an important part for the detection and destruction of mutated and dysregulated cells as it is a natural protection against degenerative diseases and cancer. The ability of the body to detect and destroy these cells is a vital part in maintaining homeostasis in the body. Once cells have circumvented this line of defence, dismantling these cells would become very difficult.  Research into new ways to target and destroy mutated cells are constantly evolving in hopes of being able to control and direct lysis of target cells using therapeutic drugs. One of the possibilities for such a method are Cholesterol Dependent Cytolysins (CDC), specific proteins found in bacteria. These proteins are dependent on the ability to bind to cholesterol in cell-walls to form pores that lyse and effectively destroy cells.   This project aims to study the structure and mechanistic details of pore formation by CDC mitilysin using cryogenic electron microscopy (cryo-EM). Mitilysin was purified by affinity chromatography and its pore formation ability was confirmed by calcein release assay and hemolysis assay. The pore structures of mitilysin were observed by transmission electron microscopy (TEM) using liposomes composed of both 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC) and cholesterol as model membranes. Detergent screening directed separation of pores from liposomes; so that they could be visualized by cryo-EM. While these steps were optimized and proven successful, they were time-consuming. An initial 3D-model of pore-structures was rendered, but no molecular characteristics could be determined at the end of the allotted time. The study does lay the ground steps for obtaining the complete structure of mitilysin pores.

Plastic foams, such as Styrofoam, protect items during transport. Recognising the recycling challenges of these foams, there's a growing interest in developing alternatives from renewable resources, particularly cellulose fibres, for packaging. A deep understanding of its structure, specifically achieving a uniform distribution of small pore sizes, is crucial to enhancing the mechanical properties of the foam. Prior works highlight the need for improvement in X-ray techniques and image-processing techniques to address challenges in data acquisition and analysis. In this study, X-ray Microtomography equipment was used to capture images of the fibre foam sample, and software like XMController and XMReconstructor obtained 2D projection images at different magnifications (2X, 4X, 10X, and 20X). ImageJ and Python algorithms were then used to distinguish pores and fibres from the obtained images and characterize the pores, which included Bilateral filtering, that helped reduce background noise and preserve fibres in the grayscale images. The Threshold Otsu method converted the grayscale image to a binary image, and the inverted binary image aided in Local thickness image formation. The Local thickness image represented fibres with pixel value zero and blown-up spheres of different intensities representing the pores and their characteristics. As the magnification of the Local thickness images increased, the Pore Area, Pore Volume, Pore Perimeter, and Total Pores decreased, indicating a shift towards a more uniform distribution of smaller pores. Histograms, scatter plots, and pore intensity distribution histograms visually represented this trend. Similarly, characteristics like pore density increased, porosity decreased, and specific surface area remained constant with increasing magnification, suggesting a more compact structure. Objective measurements of image quality metrics, such as PSNR, RMSE, SSIM, and NCC, were used. Grayscale images of different magnifications were compared, and it was noted that as the number of projections increased, the 10X vs. 20X and 2X vs. 4X pairs consistently performed well in terms of image quality. The applied methodologies, comprising Pore Analysis and Image Quality Metrics, exhibit significant strengths in characterising porous structures and evaluating image quality. / Plastskum, som frigolit, skyddar föremål under transport. Att känna igenåtervinningsutmaningar för dessa skum, finns det ett växande intresse för att utveckla alternativ frånförnybara resurser, särskilt cellulosafibrer, för förpackningar. En djup förståelse för detstruktur, specifikt att uppnå en enhetlig fördelning av små porstorlekar, är avgörande förförbättring av skummets mekaniska egenskaper. Tidigare arbeten belyser behovet avförbättring av röntgentekniker och bildbehandlingstekniker för att möta utmaningar idatainsamling och analys. I denna studie användes röntgenmikrotomografiutrustning för attta bilder av fiberskumprovet och programvara som XMController ochXMReconstructor erhöll 2D-projektionsbilder med olika förstoringar (2X, 4X, 10X,och 20X). ImageJ och Python-algoritmer användes sedan för att skilja porer och fibrer frånde erhållna bilderna och karakterisera porerna, vilket inkluderade bilateral filtrering, som hjälpteminska bakgrundsbrus och bevara fibrer i gråskalebilderna. The Threshold Otsumetoden konverterade gråskalebilden till en binär bild, och den inverterade binära bilden hjälpte tilli lokal tjocklek bildbildning. Den lokala tjockleksbilden representerade fibrer med pixelvärde noll och uppblåsta sfärer med olika intensitet som representerar porerna och derasegenskaper. När förstoringen av bilderna med lokal tjocklek ökade, ökade porområdet,Porvolym, poromkrets och totala porer minskade, vilket indikerar en förskjutning mot en merjämn fördelning av mindre porer. Histogram, spridningsdiagram och porintensitetsfördelninghistogram representerade visuellt denna trend. På liknande sätt ökade egenskaper som pordensitet,porositeten minskade och den specifika ytarean förblev konstant med ökande förstoring,föreslår en mer kompakt struktur. Objektiva mätningar av bildkvalitetsmått, t.exsom PSNR, RMSE, SSIM och NCC, användes. Gråskalebilder med olika förstoringarjämfördes, och det noterades att när antalet projektioner ökade, 10X vs. 20Xoch 2X vs. 4X par presterade konsekvent bra när det gäller bildkvalitet. Den tillämpademetoder, som omfattar poranalys och bildkvalitetsmått, uppvisar betydandestyrkor i att karakterisera porösa strukturer och utvärdera bildkvalitet.

Cemented carbide tools are subjected to high loads and temperatures during use. Long before any significant wear can occur on the tool, the material will experience plastic deformation. The purpose of this master thesis was to investigate how Kernel Average Misorientation (KAM) can be utilised to analyse plastic deformation within the microstructure or grains of cemented carbides. Six different cemented carbides were investigated. The materials were plastically deformed by utilizing cutting tests with a feed rate staircase method to induce the plastic deformation. Each material was characterised by using Scanning Electron Microscopy (SEM) either equipped with a secondary electron detector or an Electron Backscatter Diffraction detector (EBSD). This made it possible to investigate the WC grain size, Co infiltration, step formation, cavities and pores, KAM and the average grain size. It was concluded that KAM showed to be a valuable tool to visualise the plastic deformation in the materials. There were some limitations to KAM regarding materials with similar amounts of plastic deformation. Additionally, the data from KAM could be used to create graphs to more easily display the misorientation. However, KAM cannot showcase the mechanisms that lead to plastic deformation. Other characterisation methods are needed as a compliment to completely understand what is happening in the material on a microstructural level.

Am Anfang des Entwicklungsprozesses eines Gussbauteils für die Automobilbranche steht klassischerweise die konstruktive Ausarbeitung und die Auslegung auf Zielgrößen, wie Festigkeit, Steifigkeit bzw. die Erfüllung der Crashlasten. Im nächsten Entwicklungsschritt wird, oftmals in Zusammenarbeit mit externen Lieferanten, das Werkzeugkonzept entwickelt und die Herstellbarkeit mit Hilfe von Gießsimulationen abgesichert. Bei der Fertigung verursachen streuende Prozessgrößen, wie etwa Geschwindigkeits- oder Temperaturniveaus, Schwankungen in der Leistungsfähigkeit des Endprodukts (z. B. lokale Bruchdehnung oder Zugfestigkeit). Maßnahmen zur Erhöhung der Prozessstabilität und zur Reduktion des Verschleißes konzentrieren sich oftmals auf die erfahrungsbasierte Verbesserung des Fertigungsprozesses und Anpassungen des Anguss- und Überlaufsystems. Größere Änderungen der Bauteilgeometrie sind häufig aus zeitlichen Gründen nicht mehr möglich. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, optimierte modularisierte Grundgeometrien, wie Rippen oder Umlenkungen, mit Hilfe von numerischen Formoptimierungen zu entwickeln, um diese schon von Anfang an in der Bauteilentwicklung zu berücksichtigen. Als Zielfunktionen dienen strömungs- und strukturmechanische Kenngrößen, um einerseits verschleißfördernde Mechanismen und füllungsbedingte Defekte zu reduzieren und andererseits die Beanspruchbarkeit zu erhöhen. Bei den Untersuchungen wird zusätzlich die Robustheit des Ergebnisses analysiert, um Verbesserungspotenziale auch bei streuenden Randbedingungen realisieren zu können. / The virtual development process of an automotive casting part usually begins with classical design tasks and analyses of material strength, stiffness and crash load cases. In the next step, often in cooperation with external suppliers, the tooling concept is developed and casting simulations are used to ensure manufacturability. During manufacturing there is a scatter in process parameters, such as flow velocity or temperature levels, which in turn cause a scatter in the performance of the final product (e.g. local elongation at fracture or ultimate tensile strength). Means to increase process stability and yield are often limited to knowledge-based improvements of the manufacturing process parameters and adaptations of the gating and overflow system. Major changes to the part geometry are usually no longer possible due to project time constraints. Therefore it is the goal of this thesis to optimize modularized basic geometries, like ribs or bends, by using numerical shape optimizations and employ them right from the beginning of the part development process. For the objective functions of the optimizations the disciplines of fluid dynamic filling and the resulting structural behaviour are considered. In addition, the resulting shape is analyzed with regards to robustness towards scatter in manufacturing operating conditions. By using these new modularized geometries the overall robustness of the final product is expected to be increased.

Une fois ingérées par un insecte sensible, les toxines insecticides du bacille de Thuringe doivent être activées par les protéases intestinales de cet insecte. Leur premier domaine, un ensemble de sept hélices-α amphipathiques, est responsable de leur insertion dans la membrane luminale de certaines cellules de l’intestin médian, ce qui crée des pores peu sélectifs. La toxicité et la capacité à former des pores d’une telle toxine, la Cry9Ca, de ses mutants simples R164A et R164K et d’un fragment de 55 kDa résultant d’un clivage protéolytique au niveau de son résidu 164 ont été étudiées à l’aide d’une combinaison de modélisation par homologie, de bioessais, d’expériences de gonflement osmotique avec des vésicules de membrane en bordure en brosse de larves de sphinx du tabac et de mesures électrophysiologiques sur des intestins isolés. Ni les mutations simples ni le clivage protéolytique n’ont altéré la toxicité de la Cry9Ca. Dans une solution à faible force ionique, toutefois, la formation des pores dépend fortement du pH : une augmentation de celui-ci de 6,5 à 10,5 a entraîné une baisse irrégulière et par étapes successives de la perméabilité membranaire. Les quatre préparations de toxine ont néanmoins dépolarisé la membrane apicale d’intestins médians fraîchement isolés baignant dans une solution contenant 122 mM de KCl à pH 10,5. L’activité de la Cry9Ca, et des mutants R164A et R164K, a été grandement stimulée lorsque les expériences ont été effectuées en présence de suc intestinal, de lipides extraits d’un volume équivalent de suc intestinal ou d’un cocktail d’inhibiteurs de protéases solubles dans l’eau. De plus, le rôle des boucles inter-hélicales du Domaine I lors de l’insertion dans la membrane a été étudié avec des mutants doubles de la Cry9Ca dont les mutations introduisaient, neutralisaient ou renversaient une charge électrique. À l’exception de trois d’entres eux, tous ces mutants ont conservé une toxicité et une capacité à former des pores comparables à celles de la toxine parentale. L’ensemble de ces résultats suggère que le micro-environnement de l’intestin médian contribue à minimiser l’influence des charges de surface portées par les résidus des boucles inter-hélicales du Domaine I sur la capacité des toxines du bacille de Thuringe à former des pores. Il indique aussi que, d’une part, selon le site de clivage et les conditions expérimentales utilisées, des protéolyses supplémentaires de la toxine Cry9Ca activée peuvent soit stimuler, soit nuire à son activité et que, d’autre part, le suc intestinal du sphinx du tabac contient probablement un inhibiteur de protéases qui pourrait jouer un rôle important dans l’activité des toxines du bacille de Thuringe. / Once ingested by susceptible insects, Bacillus thuringiensis insecticidal toxins must be activated by the insect’s intestinal proteases. Their first domain, a bundle of seven amphipathic -helices, is responsible for their insertion into the luminal membrane of midgut cells, thereby creating poorly selective pores. The toxicity and pore-forming ability of one such toxin, Cry9Ca, its single-site mutants, R164A and R164K, and of the 55-kDa fragment resulting from its proteolytic cleavage at residue 164 were investigated using a combination of homology modeling, bioassays, osmotic swelling experiments with Manduca sexta larval midgut brush border membrane vesicles and electrophysiological measurements on isolated midguts. Neither the single mutations nor the proteolytic cleavage altered Cry9Ca toxicity. In low ionic strength solutions however, pore formation was highly dependent on pH: increasing pH from 6.5 to 10.5 resulted in an irregular step-wise decrease in membrane permeabilization. All four toxin preparations nevertheless depolarized the apical membrane of freshly isolated midguts bathing in a solution containing 122 mM KCl at pH 10.5. The activity of Cry9Ca, R164A and R164K was greatly enhanced when the experiments were conducted in the presence of midgut juice, the lipids extracted from an equivalent volume of midgut juice or a cocktail of water-soluble protease inhibitors. Additionally, the role of the interhelical loops of Domain I in membrane insertion was investigated with Cry9Ca double mutants with mutations that either introduced, neutralized or reversed an electrical charge. All but three mutants retained a toxicity and a pore-forming ability that were comparable to those of their parental toxin. Overall, the results suggest that the midgut microenvironment contributes to minimizing the influence of surface charges carried by Domain I interhelical loop residues on B. thuringiensis toxins pore-forming ability. They also indicate that, depending on the cleavage site and on the experimental conditions used, further proteolysis of the activated Cry9Ca toxin can either stimulate or be detrimental to its activity and that M. sexta midgut juice probably contains protease inhibitors that could play a major role in the activity of B. thuringiensis toxins in the insect midgut.

Le travail présenté dans ce manuscrit concerne la fabrication de biomatériaux poreux à base d’acide polylactique pour les tissus conjonctifs et calcifiés en utilisant des procédés de chimie verte. Le but de cette thèse est de corréler l’influence de certains paramètres de procédés à la structure morphologique et les propriétés des mousses générées. Nous avons étudié, d’un côté, les effets de mélange d’acide hyaluronique et d’acides polylactiques afin d’améliorer les propriétés d’adhésion de ces biomatériaux. Nos résultats montrent bien une augmentation de l’énergie d’adhésion mais aussi une diminution de la taille équivalente des pores et de la porosité des biomatériaux poreux après moussage par les fluides supercritiques. D’un autre côté, nous avons étudié les effets de mélanges des triphosphates de calcium et d’acides polylactiques en tant que substitut osseux. L’influence d’un ajout de cires en tant qu’agent porogène a été discutée et les méthodes de préparation des pastilles (voie sèche ou humide) ont été analysées. Dans cette optique la fabrication semi-industrielle de biomatériaux poreux a été testée en fixant les paramètres du procédé de moussage par le CO2 supercritique (pression, température et temps de saturation, vitesse de dépressurisation) et nous avons contrôlé les mousses de formulations optimisées en termes de porosité et de distribution des pores. En conclusion, ce travail rend possible d’adapter les paramètres des procédés de CO2 supercritique et de co-broyage aux propriétés des biomatériaux poreux. En perspective, cette ouvre la voie à de nouvelles recherches à la fois dans les domaines des modèles 3D tumoraux et d’ingénierie tissulaire. / The work presented in this manuscript concerns the production of scaffolds based polylactides for connective tissues and bone regeneration by adapting green technology. The aim of this thesis was to correlate the influence of different process parameters on the morphological structures and properties of the scaffold generated. On one hand, we studied effect of the blending of hyaluronic acid and polylactides to enhance the surface adhesion properties of scaffolds. Our results relate to an increase in surface properties but a decrease of equivalent pore size and porosity after foaming scaffolds by supercritical process. Calcium Tri-Phosphate On other hand, we studied the effect of the blending of calcium tri-phosphates and polylactides as bone substitute. Influence of adding wax as porogen agent has been discussed and a comparison between wet and dry methods to generate scaffolds has been analyzed. For this purpose, semi-industrial fabrication of porous biomaterials has been tested by blocking supercritical CO2 parameters (saturation pressure, temperature and time, depressurization rate) and you have control the optimized formulation composite scaffold, in term of porosity and distribution of pores. In conclusion, this work made it possible to adapt the process parameters of supercritical CO2 and co-grinding at the properties of scaffolds. In perspective, this research opens new development ways in scaffolds, in both domains of 3D tumoral model and tissue engineering.

Le comportement au jeune âge des matériaux à matrice cimentaire est un phénomène complexe qui met en opposition une structure évolutive, mais encore faible mécaniquement et des sollicitations externes particulières en terme de température, humidité et blocage mécanique par exemple. Il en résulte dans certains cas la fissuration par retrait gêné du matériau en cours de développement. Une approche couplée expérimentale-numérique a été développée afin de reproduire le phénomène de fissuration par retrait empêché, en laboratoire et sous conditions contrôlées. Cette approche identifie les paramètres clés nécessaires à la construction d'un modèle mésoscopique numérique prédictif qui prend en compte les effets des couplages chimio-hydro-mécaniques sur l'évolution des propriétés physico-mécaniques du matériau.

Une fois ingérées par un insecte sensible, les toxines insecticides du bacille de Thuringe doivent être activées par les protéases intestinales de cet insecte. Leur premier domaine, un ensemble de sept hélices-α amphipathiques, est responsable de leur insertion dans la membrane luminale de certaines cellules de l’intestin médian, ce qui crée des pores peu sélectifs. La toxicité et la capacité à former des pores d’une telle toxine, la Cry9Ca, de ses mutants simples R164A et R164K et d’un fragment de 55 kDa résultant d’un clivage protéolytique au niveau de son résidu 164 ont été étudiées à l’aide d’une combinaison de modélisation par homologie, de bioessais, d’expériences de gonflement osmotique avec des vésicules de membrane en bordure en brosse de larves de sphinx du tabac et de mesures électrophysiologiques sur des intestins isolés. Ni les mutations simples ni le clivage protéolytique n’ont altéré la toxicité de la Cry9Ca. Dans une solution à faible force ionique, toutefois, la formation des pores dépend fortement du pH : une augmentation de celui-ci de 6,5 à 10,5 a entraîné une baisse irrégulière et par étapes successives de la perméabilité membranaire. Les quatre préparations de toxine ont néanmoins dépolarisé la membrane apicale d’intestins médians fraîchement isolés baignant dans une solution contenant 122 mM de KCl à pH 10,5. L’activité de la Cry9Ca, et des mutants R164A et R164K, a été grandement stimulée lorsque les expériences ont été effectuées en présence de suc intestinal, de lipides extraits d’un volume équivalent de suc intestinal ou d’un cocktail d’inhibiteurs de protéases solubles dans l’eau. De plus, le rôle des boucles inter-hélicales du Domaine I lors de l’insertion dans la membrane a été étudié avec des mutants doubles de la Cry9Ca dont les mutations introduisaient, neutralisaient ou renversaient une charge électrique. À l’exception de trois d’entres eux, tous ces mutants ont conservé une toxicité et une capacité à former des pores comparables à celles de la toxine parentale. L’ensemble de ces résultats suggère que le micro-environnement de l’intestin médian contribue à minimiser l’influence des charges de surface portées par les résidus des boucles inter-hélicales du Domaine I sur la capacité des toxines du bacille de Thuringe à former des pores. Il indique aussi que, d’une part, selon le site de clivage et les conditions expérimentales utilisées, des protéolyses supplémentaires de la toxine Cry9Ca activée peuvent soit stimuler, soit nuire à son activité et que, d’autre part, le suc intestinal du sphinx du tabac contient probablement un inhibiteur de protéases qui pourrait jouer un rôle important dans l’activité des toxines du bacille de Thuringe. / Once ingested by susceptible insects, Bacillus thuringiensis insecticidal toxins must be activated by the insect’s intestinal proteases. Their first domain, a bundle of seven amphipathic -helices, is responsible for their insertion into the luminal membrane of midgut cells, thereby creating poorly selective pores. The toxicity and pore-forming ability of one such toxin, Cry9Ca, its single-site mutants, R164A and R164K, and of the 55-kDa fragment resulting from its proteolytic cleavage at residue 164 were investigated using a combination of homology modeling, bioassays, osmotic swelling experiments with Manduca sexta larval midgut brush border membrane vesicles and electrophysiological measurements on isolated midguts. Neither the single mutations nor the proteolytic cleavage altered Cry9Ca toxicity. In low ionic strength solutions however, pore formation was highly dependent on pH: increasing pH from 6.5 to 10.5 resulted in an irregular step-wise decrease in membrane permeabilization. All four toxin preparations nevertheless depolarized the apical membrane of freshly isolated midguts bathing in a solution containing 122 mM KCl at pH 10.5. The activity of Cry9Ca, R164A and R164K was greatly enhanced when the experiments were conducted in the presence of midgut juice, the lipids extracted from an equivalent volume of midgut juice or a cocktail of water-soluble protease inhibitors. Additionally, the role of the interhelical loops of Domain I in membrane insertion was investigated with Cry9Ca double mutants with mutations that either introduced, neutralized or reversed an electrical charge. All but three mutants retained a toxicity and a pore-forming ability that were comparable to those of their parental toxin. Overall, the results suggest that the midgut microenvironment contributes to minimizing the influence of surface charges carried by Domain I interhelical loop residues on B. thuringiensis toxins pore-forming ability. They also indicate that, depending on the cleavage site and on the experimental conditions used, further proteolysis of the activated Cry9Ca toxin can either stimulate or be detrimental to its activity and that M. sexta midgut juice probably contains protease inhibitors that could play a major role in the activity of B. thuringiensis toxins in the insect midgut.

La recherche présentée dans cette thèse vise à examiner le mécanisme d’écaillage des bétons exposés au feu et comprendre l’influence du chargement mécanique appliqué en compression durant le chauffage. Des cubes (200 x 200 x 200 mm3) et des dalles (800 x 800 x 100 mm3) de béton fabriqués avec des ciments CEM II et CEM III (B40-II et B40-III: fc28days ≈ 40 MPa) ont été exposés à un feu ISO 834-1 sous différents niveaux de chargement uniaxial (cubes) et biaxial (dalles). En outre, l'effet du chargement mécanique (pression de confinement et charge uniaxiale) sur la perméabilité résiduelle au gaz a été étudié. Afin de mieux analyser les résultats expérimentaux et comprendre les mécanismes à l’origine de l'écaillage, des calculs numériques ont été réalisés en utilisant un modèle thermo-mécanique du code aux éléments finis CAST3M. Les résultats expérimentaux ont clairement montré que les éprouvettes chargées (uniaxial et biaxial) présentent un risque d’écaillage plus important que les éprouvettes non chargées. L’écaillage augmente avec le niveau de contrainte appliquée. Une partie des essais mais pas tous, ont montré que le B40-II (3% de laitier) présente un écaillage plus important que celui du béton B40-III (43% de laitiers).À partir de cette étude sur deux bétons ordinaires, il peut être mis en évidence qu'un certain niveau de contrainte de compression externe (uniaxiale ou biaxiale) est nécessaire pour induire l'écaillage du béton ordinaire. Les pressions des pores se combine avec les contraintes thermiques dûes aux gradients thermiques. Les contraintes de compression appliquées empêchent la création de certaines fissures générées par l'incompatibilité des déformations thermiques de la pâte de ciment et des granulats et des gradients thermiques. Pour l'échantillon non chargé, la création de fissures augmente la perméabilité et empêche naturellement le développement des pressions de pores.Pendant un feu réel, les membres structurels en béton sont toujours chargés ou retenus. La présence d'un chargement compressif pendant le chauffage augmente considérablement le stress de compression (diminue le stress de traction) et la grandeur de la pression des pores, ce qui augmente le risque d'écaillage. Ensuite, le stress compressif appliqué est un facteur clé très important que la conception de la résistance au feu des structures en béton devrait prendre en compte lors de l'écaillage. Par conséquent, il est recommandé que les essais d'écaillage ne soient pas effectués uniquement sur des échantillons non chargés. / The research presented in this thesis seeks to examine and understand the mechanism of fire spalling role played by the external compressive loading during heating. Concrete cube (200 x 200 x 200 mm3) and slab (800 x 800 x 100 mm3) specimens made with CEM II and CEM III cements (B40-II and B40-III: fc28days ≈ 40 MPa) were exposed to ISO 834-1 fire curve under different levels of external uniaxial (for cube) and biaxial (for slab) compressive stress. Additionally, the effect of external compressive loading (confining pressure and uniaxial load) on the residual gas permeability of concretes have been investigated. In order to better analyse the experimental results and to provide more insight into the mechanism behind the fire spalling behaviour of concrete, numerical computations were carried out by using the existing thermo-mechanical model implemented in a finite element code CAST3M. The experimental results have clearly shown that the loaded specimens (uniaxial and biaxial) are more prone to spalling than unloaded specimens, with increasing amounts of spalling for higher values of applied compressive stress. Part of the tests, but not all have shown that B40-II (3% of slag) exhibited higher spalling than the B40-III (43% of slag).From this study on two ordinary concretes, it highlights that a certain level of external compressive stress (uniaxial or biaxial) was necessary to induce spalling. A possibility is that the applied compressive stress prevents the creation of cracks naturally due to thermal mismatch between cement paste and aggregates and thermal gradients. For unloaded specimen, the creation of cracks increases the permeability and naturally prevents the pore pressure to exceed a value that favours spalling.During a real fire, concrete structural members are always loaded or restrained. The presence of compressive loading during heating significantly increases the compressive stress (decreases the tensile stress) and the magnitude of pore pressure, which increase the risk of fire spalling. Then, the applied compressive stress is a very important key factor that the fire resistance design of concrete structures should take into account when considering spalling. Hence, it is recommended that the fire spalling test should not be carried out only on unloaded specimens, especially for the ordinary concrete.

Am Anfang des Entwicklungsprozesses eines Gussbauteils für die Automobilbranche steht klassischerweise die konstruktive Ausarbeitung und die Auslegung auf Zielgrößen, wie Festigkeit, Steifigkeit bzw. die Erfüllung der Crashlasten. Im nächsten Entwicklungsschritt wird, oftmals in Zusammenarbeit mit externen Lieferanten, das Werkzeugkonzept entwickelt und die Herstellbarkeit mit Hilfe von Gießsimulationen abgesichert. Bei der Fertigung verursachen streuende Prozessgrößen, wie etwa Geschwindigkeits- oder Temperaturniveaus, Schwankungen in der Leistungsfähigkeit des Endprodukts (z. B. lokale Bruchdehnung oder Zugfestigkeit). Maßnahmen zur Erhöhung der Prozessstabilität und zur Reduktion des Verschleißes konzentrieren sich oftmals auf die erfahrungsbasierte Verbesserung des Fertigungsprozesses und Anpassungen des Anguss- und Überlaufsystems. Größere Änderungen der Bauteilgeometrie sind häufig aus zeitlichen Gründen nicht mehr möglich. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, optimierte modularisierte Grundgeometrien, wie Rippen oder Umlenkungen, mit Hilfe von numerischen Formoptimierungen zu entwickeln, um diese schon von Anfang an in der Bauteilentwicklung zu berücksichtigen. Als Zielfunktionen dienen strömungs- und strukturmechanische Kenngrößen, um einerseits verschleißfördernde Mechanismen und füllungsbedingte Defekte zu reduzieren und andererseits die Beanspruchbarkeit zu erhöhen. Bei den Untersuchungen wird zusätzlich die Robustheit des Ergebnisses analysiert, um Verbesserungspotenziale auch bei streuenden Randbedingungen realisieren zu können.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Problemstellung 1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise 1.3 Stand von Wissenschaft und Technik 2 Grundlagen 2.1 Leichtmetallgussbauteile im Automobil 2.2 Geometrische Gestaltung von Gussbauteilen 2.3 Modellierung gießtechnischer Fertigungsverfahren 2.4 Strukturmechanische Modellierung von Gussbauteilen 2.5 Numerische Optimierung 3 Modellaufbau und -analyse 3.1 Geometrische Entwurfsmodelle 3.2 Strömungsmodellbildung zur Abbildung der Fertigungseinflüsse 3.3 Strukturberechnungsmodell unter Berücksichtigung materieller Defekte 4 Optimierung der Umlenkung 4.1 Optimierungsstrategie und -prozesskette 4.2 Zielfunktionen 4.3 Optimierung mit Entwurfsmodell I 4.4 Optimierung mit Entwurfsmodell II 4.5 Diskussion der Ergebnisse 5 Optimierung der Rippe 5.1 Optimierungsstrategie und -prozesskette 5.2 Ziel- und Restriktionsfunktionen 5.3 Multidisziplinäre Optimierung 5.4 Diskussion der Ergebnisse 6 Zusammenfassung 7 Ausblick Anhang Abkürzungs- und Symbolverzeichnis Literatur- und Quellenverzeichnis / The virtual development process of an automotive casting part usually begins with classical design tasks and analyses of material strength, stiffness and crash load cases. In the next step, often in cooperation with external suppliers, the tooling concept is developed and casting simulations are used to ensure manufacturability. During manufacturing there is a scatter in process parameters, such as flow velocity or temperature levels, which in turn cause a scatter in the performance of the final product (e.g. local elongation at fracture or ultimate tensile strength). Means to increase process stability and yield are often limited to knowledge-based improvements of the manufacturing process parameters and adaptations of the gating and overflow system. Major changes to the part geometry are usually no longer possible due to project time constraints. Therefore it is the goal of this thesis to optimize modularized basic geometries, like ribs or bends, by using numerical shape optimizations and employ them right from the beginning of the part development process. For the objective functions of the optimizations the disciplines of fluid dynamic filling and the resulting structural behaviour are considered. In addition, the resulting shape is analyzed with regards to robustness towards scatter in manufacturing operating conditions. By using these new modularized geometries the overall robustness of the final product is expected to be increased.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Problemstellung 1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise 1.3 Stand von Wissenschaft und Technik 2 Grundlagen 2.1 Leichtmetallgussbauteile im Automobil 2.2 Geometrische Gestaltung von Gussbauteilen 2.3 Modellierung gießtechnischer Fertigungsverfahren 2.4 Strukturmechanische Modellierung von Gussbauteilen 2.5 Numerische Optimierung 3 Modellaufbau und -analyse 3.1 Geometrische Entwurfsmodelle 3.2 Strömungsmodellbildung zur Abbildung der Fertigungseinflüsse 3.3 Strukturberechnungsmodell unter Berücksichtigung materieller Defekte 4 Optimierung der Umlenkung 4.1 Optimierungsstrategie und -prozesskette 4.2 Zielfunktionen 4.3 Optimierung mit Entwurfsmodell I 4.4 Optimierung mit Entwurfsmodell II 4.5 Diskussion der Ergebnisse 5 Optimierung der Rippe 5.1 Optimierungsstrategie und -prozesskette 5.2 Ziel- und Restriktionsfunktionen 5.3 Multidisziplinäre Optimierung 5.4 Diskussion der Ergebnisse 6 Zusammenfassung 7 Ausblick Anhang Abkürzungs- und Symbolverzeichnis Literatur- und Quellenverzeichnis