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Thesis (Ph.D.)--Brown University, 2005. / Vita. Thesis advisor: Christoph G. Rose-Petruck. Includes bibliographical references (leaves 95-107). Also available online.

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2001. / Vita. Includes bibliographical references (p. 111-122).

A number of notable studies on pure ionic clathrate hydrates have utilized their unique ionic characteristics for electric applications, including their use as an electrolyte for nickel-metal hydride batteries. Although quaternary ammonium salt hydrates have recently been applied to gas separation and storage areas with the expectation of the small co-guest occupancy in empty cages, most of the researches have been oriented to macroscopic approaches based on hydrate phase equilibria and many other process variables. On the other hand, spectroscopic analyses for identifying the structure transition of ionic clathrate hydrates together with a comprehensive consideration of their complex phase patterns have not yet been reported in spite of their importance to the energy and environmental fields. Accordingly, in this study, we present the report of an extraordinary structural transition accompanying the occurrence of more than two coexisting clathrate hydrate phases and channel-induced tuning pattern in ionic double hydrate systems. In particular, the tuning observation uniquely occurring in the ionic clathrate hydrates is quite surprising, even though the tuning behavior is more commonly observed in the non-ionic hydrate systems. The remarkable feature of this work is that the icy ionic hydrate materials can be effectively used in energy devices. Moreover, the microscopic analyses of ionic clathrate hydrates for identifying the physicochemical characteristics are expected to provide new insights into a variety of inclusion chemistry fields.

In my work, magnetic and structural transitions of three categories of compounds are investigated by density functional calculations under local spin density approximation (LSDA). The first compound is Rh2MnGe with full Heusler structure at ambient condition. However, the structure is unstable at T=0 according to our calculations. A more stable structure we found is tetragonal one with either extension or compression along c-axis. The electronic reason of this distortion is the band Jahn-Teller effect where the Jahn-Teller active states are 4d states of Rh which is accidently put at the Fermi level by spin splitting. Then, magnetic moment behavior under pressure in itinerant compounds is investigated in four cubic Laves phase compounds (YFe2, ZrFe2, HfFe2, and LuFe2). The magnetic spin moment is decreased under pressure. A magnetic collapse where the spin moment vanishes is predicted under pressure around 20 GPa for Zr and Hf compounds, 40 GPa for Y and Lu compounds. The behavior of the magnetic moment is the result of competition between magnetic exchange interactions and kinetic energy during the compression of the volume, as described by the Stoner model. The last material investigated is CoO using LDSA+U in order to describe the strong Coulombic interaction of the transition metal ion. The pressure induced a magnetic transition, which was discovered in experiments, is explained by the competition between ligand field splitting and exchange energy. The ligand field splitting is increased under pressure, and suppresses the intraatomic exchange. As a result, the spin state changes from high spin to low spin, and at last to nonmagnetic state.

In my work, magnetic and structural transitions of three categories of compounds are investigated by density functional calculations under local spin density approximation (LSDA). The first compound is Rh2MnGe with full Heusler structure at ambient condition. However, the structure is unstable at T=0 according to our calculations. A more stable structure we found is tetragonal one with either extension or compression along c-axis. The electronic reason of this distortion is the band Jahn-Teller effect where the Jahn-Teller active states are 4d states of Rh which is accidently put at the Fermi level by spin splitting. Then, magnetic moment behavior under pressure in itinerant compounds is investigated in four cubic Laves phase compounds (YFe2, ZrFe2, HfFe2, and LuFe2). The magnetic spin moment is decreased under pressure. A magnetic collapse where the spin moment vanishes is predicted under pressure around 20 GPa for Zr and Hf compounds, 40 GPa for Y and Lu compounds. The behavior of the magnetic moment is the result of competition between magnetic exchange interactions and kinetic energy during the compression of the volume, as described by the Stoner model. The last material investigated is CoO using LDSA+U in order to describe the strong Coulombic interaction of the transition metal ion. The pressure induced a magnetic transition, which was discovered in experiments, is explained by the competition between ligand field splitting and exchange energy. The ligand field splitting is increased under pressure, and suppresses the intraatomic exchange. As a result, the spin state changes from high spin to low spin, and at last to nonmagnetic state.

Two different soils may be generated from open-pit mining: lumpy soils with a granular structure and clay mixtures, depending on the length of the conveyor belt and the strength of the original soils. Lumpy soils may be created for a high strength of the excavated soils. They are dumped as landfills without any compaction, which permits the water and air flows via the inter-lump voids. As a result, a new structure consisting of the lumps and reconstituted soil within the inter-lump voids can be created. However, if the original soil has a low strength or a long transportation takes place, the material may disintegrate into small lumps and thoroughly mix soils from different layers. Landfills consisting of clay mixtures arise in this way. The stability and deformation of landfills are crucial for design of occupied area and landfill slopes. For this reason, three different landfill materials will be investigated in this thesis: (1) the lumpy granular soil from fresh landfills, (2) the lumpy composite soil corresponding to old landfills and (3) clay mixtures. Firstly, an artificial lumpy soil was investigated. It is a transition form between the reconstituted and natural lumpy soils. Compression, permeability and strength of lumpy materials have been evaluated based on oedometer and triaxial tests. The shear strength of the normally consolidated lumpy specimens lies approximately on the Critical State Line of the reconstituted soil. The reconstituted soil, which exists in the inter-lump voids, plays a crucial role in the behaviour of artificial lumpy materials. Similarly to the artificial lumpy soil, inter-lump voids of the natural lumpy soil are mainly closed above a relatively small stress level, which is induced by the rearrangement of the lumps. However, its limit stress state is located above the Critical State Line of the reconstituted soil, which may be caused by the diagenetic soil structure in the natural lumps. The structure transition of the lumpy granular material can be divided into three possible stages related to the stress level. Firstly, the compressibility of a fresh lumpy is relativity high due to the closure of the inter-lump voids within a low stress range. In this stage, the hydraulic conductivity is mainly controlled by the inter-lump skeleton due to the existence of macro drainage paths, while the shear strength is controlled by the reconstituted soil around the lumps. Afterwards, its compressibility decreases with the consolidation stress and the soil behaves similarly to an overconsolidated soil. The clayfill appears to be uniform visually in this stage, but its structure is still highly heterogeneous and the hydraulic conductivity is higher than that of the reconstituted soil with the same overall specific volume. Finally, the loading reaches the preconsolidation stress of the lumps, and the whole soil volume becomes normally consolidated. Isotropically consolidated drained triaxial shear tests were performed on artificially prepared specimens with parallel and series structures. The laboratory tests show that the specimens with the series structure have the same failure mode as the constituent with the lower strength; the specimens with the parallel structure have a failure plane which crosses both constituents. As a result, the shear strength of the series specimens is only slightly higher than that of the constituent with the lower strength and the strength of the parallel specimens lies between those of the constituents. Afterwards, the behaviour of an artificial lumpy material with randomly distributed inclusions is investigated using the Finite Element Method. The computation results show that the stress ratio, defined as the ratio of the volume-average stress between the lumps and the reconstituted soil within the inter-lump voids, is significantly affected by both the volume fraction and the preconsolidation pressure of the lumps under an isotropic compression path, while the volume fraction of the lumps plays a minor role under a triaxial compression path. Based on the simulation results and analysis of the two basic configurations, a homogenization law was proposed utilizing the secant stiffnesses. The compression behavior of the lumpy composite soil was analyzed within the homogenization framework. Firstly, the volume of the composite soil was divided into four individual components. The inter-lump porosity was introduced to account for the evolution of the volume fractions of the constituents, and it was formulated as a function of the overall porosity and those of its constituents. A homogenization law was then proposed based on the analysis of the lumpy structure together with a numerical method, which gives a relationship for tangent stiffnesses of the lumpy soil and its constituents. Finally, a simple compression model was proposed for the composite lumpy material, which incorporates both the influence of the soil structure and the volume fraction change of the reconstituted soil. Furthermore, a general framework for the consolidation behaviour of the lumpy composite soil was proposed based on the double porosity concept and the homogenization theory. To describe the behaviour of lumps with low stress level, a new failure line was proposed with help of the equivalent Hvorslev pressure and critical state concept. The structure effect was incorporated into the nonlinear Hvorslev surface within sensitivity framework and the generalized Cam clay model proposed by McDowell and Hau (2003) was adopted on the wet side of the critical state. A secant stiffness, defined as the ratio between the deviatoric stress and deviatoric strain, was used in the homogenization law. Finally, a simple model for the natural lumpy soil was proposed within the homogenization framework. The physical properties, compression behaviour and remolded undrained shear strength of clay mixtures were investigated by reproducing the soils artificially in the lab. Afterwards, the models for the compression and undrained shear strength of clay mixtures were proposed. The model for the strength of the clay mixture originated from simplifying the structure of a clay mixture, in which the elements of the constituents are randomly distributed in a representative elementary volume. By defining a water content ratio (the ratio of water contents between the constituents), the undrained shear strength of each constituent was estimated separately and then combined together with corresponding volume fractions. A homogenization law was proposed afterwards based on the analysis of the randomly arranged structure. A simple compression model considering $N$ constituents was proposed within the homogenization framework, which was evaluated by a mixture with two constituents. / In einem Tagebau können die feinkörnigen Böden in unterschiedlichen Zustandsformen entstehen. Dies sind zum einen klumpige Böden mit einer granular ähnlichen Struktur (Pseudokornstruktur) und einer hohen Konsistenzzahl und zum anderen Mischungen aus mehreren Tonen oder Schluffen mit niedriger Konsistenzzahl. Der Zustand wird dabei massgebend von dem Transport (z.B. Länge des Förderbandes) und dem Ausgangszustand (z.B. der Anfangsscherfestigkeit) beeinflusst. Klumpige Böden entstehen bei der Abbaggerung des natürlichen Materials auf der Abbauseite, welches eine hohe Festigkeit besitzt. Alle Böden werden normalerweise ohne Verdichtung verkippt, so entstehen bei der Verkippung von klumpigen Böden grosse Makro-Porenräume zwischen den Klumpen, welche sehr luft- bzw. wasserdurchlässig sind. Nach einiger Zeit entsteht eine neue Struktur aus den Klumpen und dem Material des sich von aussen auflösenden Klumpens, welches das Füllmaterial bildet. Wenn die Festigkeit des Ausgangsmaterials niedrig ist oder lange Transportwege stattfinden, zerfallen die Klumpen. Zudem werden die Böden von verschiedenen Schichten der Abbauseite unter einander gemischt, wodurch die Tongemische entstehen. Sowohl für die Dimensionierung und Berechnung der aus den Verkippungen entstehenden Tagebaurandböschungen sowie für eine spätere Nutzung des ehemaligen Tagebaugebietes ist die Kenntnisüber das Deformations- und Verformungsverhalten von Kippenböden notwendig. Daher wurden in dieser Arbeit Tagebauböden und ihr zeitlich veränderliches Verhalten untersucht. Dabei werden diese, bezugnehmend auf den Anfangszustand, in drei typische Materialien unterschieden: (1) der frisch verkippte klumpige Boden, (2) eine Mischung aus Klumpen und Füllmaterial, welche höhere Liegezeiten repräsentiert und (3) Mischungen von feinkörnigen Ausgangsböden. Zunächst wurden künstlich hergestellte klumpige Böden untersucht. Sie bilden eine Übergangsform zwischen aufbereiteten und natürlichen klumpigen Böden. Das Kompressions- und Scherverhalten sowie die Durchlässigkeit wurden an Ödometer und Triaxialversuchen bestimmt. Das Füllmaterial, welches die Makroporen zwischen den Klumpen füllt, spielt eine entscheidende Rolle für das Materialverhalten. Ähnlich wie bei den künstlich hergestellten klumpigen Böden schliessen sich auch bei den Böden im Tagebau die Makroporenschen bei niedrigen Spannungen. Dabei werden die Klumpen umgelagert. Allerdings befindet sich die Grenze des Spannungszustandes oberhalb der Critical State Line des Füllmaterials, was möglicherweise mit den unter Diagenese entstandenen Bodenstrukturen erklärt werden kann. Die Strukturänderung der klumpigen Böden kann aufgrund des Spannungsniveaus in drei mögliche Stufen unterteilt werden. Am Anfang ist die Kompressibilität der frischen verkippten Klumpen hoch, da sich die Makroporen bereits bei geringen Spannungen schliessen. Zu diesem Zeitpunkt sind auch die Durchlässigkeiten in erster Linie von den grossen Porenräumen der Makroporen, welche als Entwässerungspfade dienen, beeinflusst. Die Scherfestigkeit hingegen, wird durch die aufgeweichten Böden an den Oberflächen der Klumpen massgebend beeinflusst. Bei höheren Konsolidationspannungen sinkt die Kompressibilität und der Boden verhält sich wie einüberkonsolidierter Boden. Obwohl die Struktur aufgrund der veränderten Klumpenoberflächen zu diesem Zeitpunkt homogener wirkt, ist die Struktur noch heterogen und die Durchlässigkeit ist höher als bei einem aufbereiteten Boden mit gleichem spezifischem Volumen (Porenzahl). Letztendlich erreicht der aktuelle Spannungszustand den derüberkonsolidierten Klumpen und der gesamte Boden verhält sich wie ein normal konsolidierter Boden. Des Weiteren wurden isotrop konsolidierte drainierte Triaxialversuche an künstlich aus zwei Ausgangsmaterialien hergestellten Proben mit parallelen und seriellen Strukturen durchgeführt. Die Laborversuche zeigten, dass die Proben mit seriellem Aufbau dieselben Gleitflächen haben, wie der Ausgangsboden mit der niedrigeren Scherfestigkeit. Die Gleitfläche der Proben mit parallelen Strukturen verlief durch beide Materialien. Es wurde festgestellt, dass die Scherfestigkeit der seriell aufgebauten Proben geringfügig höher, als die des Bodens mit der niedrigeren Scherfestigkeit ist. Die Scherfestigkeit der parallel aufgebauten Proben liegt zwischen den beiden Ausgangsmaterialien. Danach wurde das Verhalten der künstlich erzeugten klumpigen Böden mit zufällig verteiltem Füllmaterial mit Hilfe der Finiten Elemente Methode verglichen. Die Simulationen zeigten, dass unter einer isotropen Kompressionsbelastung das Spannungsverhältnis, definiert aus dem Verhältnis der Spannung des Volumendurchschnitts zwischen den Klumpen und dem Füllmaterial, deutlich durch die Volumenanteile und die Vorkonsoliderungsspannung der Klumpen beeinflusst wird. Während das Volumenverhältnis eine untergeordnete Rolle in den in Triaxialzellen unter Scherung belasteten Proben spielt. Aus den Simulationsergebnissen und den Laborversuchen der beiden Grundkonfigurationen wurde ein Homogenisierungsgesetz abgeleitet, welches die Sekandensteifigkeiten verwendet. Das Kompressionsverhalten der Mischungen aus Klumpen und Füllmaterial wurde mit Blick auf die Homogenisierung analysiert. Zunächst kann das Volumen der Mischungen in 4 individuelle Komponentenanteile zerlegt werden. Die Makroporosität zwischen den Klumpen wurde zur Entwicklung der Volumenanteile des Füllmaterials eingeführt. Sie wurde als eine Funktion der totalen Porosität und der Materialien formuliert. Auf Grundlage einer theoretischen Analyse an klumpigen Böden und unter Zuhilfenahme einer numerischen Methode wird ein Gesetz zur Homogenisierung vorgeschlagen. Dieses enthält eine Beziehung zwischen der Tagentensteifigkeit der Klumpen und seinem Füllmaterial. Abschliessend wird ein einfaches Kompressionsmodel für die Mischung aus Klumpen und Füllmaterial vorgeschlagen, welches den Einfluss der Bodenstruktur und der Änderung des Volumenanteils des Füllmaterials berücksichtigt. Darüber hinaus wurde eine allgemeine Formulierung für das Konsolidationsverhalten der klumpigen Böden mit Füllmaterial vorgeschlagen, welche sich auf das Konzept der doppelten Porosität (Klumpen und Füllmaterial) und eine Homogenisierungstheoerie bezieht. Um das Verhalten der Klumpen bei niedrigen Spannungen zu beschreiben, wird eine neue Grenzbedingung unter Zuhilfenahme der äquivalenten Hvorslev-Spannung und des Criticial State Konzeptes vorgeschlagen. Der Struktureffekt für sensitive Böden wurde in die nichtlineare Hvorslev-Oberfläche eingebaut. Das allgemein gültige Cam-Clay-Model von McDowell und Hau (2003) wurde um die nasse Seite des Critical State Konzeptes erweitert. Eine Sekandensteifigkeit, definiert aus dem Verhältnis zwischen der Deviatorspannung und der Deviatordehnung, wurde für das Homogenisieurungsgesetz ebenfalls verwendet. Abschliessend wird ein Modell für natürliche klumpige Böden vorgestellt, welches auch eine Homogenisierung beinhaltet. Die physikalischen Eigenschaften, das Kompressionsverhalten und die undrainierten Scherfestigkeiten von aufbereiten Tongemischen wurden im Labor unter Herstellung künstlicher Bödengemische untersucht. Anschliessend wurde ein Kompressions- und Schermodell für aufbereitete Tongemische vorgeschlagen. Das Modell der Scherfestigkeit der Tongemische entstand aus der Vereinfachung der Tongemischstruktur, in welcher die Elemente der Ausgangsmaterialien zufällig in dem Einheitsvolumen verteilt sind. Werden Wassergehaltsverhältnisse (das Verhältnis der Wassergehalte der Ausgangsmaterialien) definiert, kann die undrainierte Scherfestigkeit für alle Bestandteile separat geschätzt werden und dannüber die Volumenanteile bestimmt werden. Ein Homogenisierungsgesetz wurde auf Grundlage der theoretischen Analyse von zufällig angeordneten Strukturen entwickelt. Ein einfaches Kompressionsmodell, welches N-Ausgangsmaterielien bzw. Tone und eine Homogenisierung enthält, wird vorgeschlagen, und an einer Mischung aus 2 Bestandteilen im Labor validiert.

<p>The discovery and utilization of novel starches with unique superb properties are highly demanded for modern industrial uses. Small-granule starch (SGS) is a category of unconventional starches with the granular size smaller than 10 μm. The potential use of SGS includes many conventional and novel high-value applications, such as texturizing, fat replacement, encapsulation, controlled delivery and nano-engineering. In the present work, we focused on three SGS isolated from amaranth (<i>Amaranth cruentus</i>), cow cockle (<i>Saponaria vaccaria</i>) and sweet corn (<i>sugary-1</i> maize mutant). The basic structural and unique physical properties of SGS were characterized and compared to common large-granule food starches. It was found that (1) the highly branched amylopectin contributed to low crystallinity and pasting viscosities of sweet corn starch, (2) cow cockle starch exhibited high shear-resistance and low retrogradation in prolonged storage, and (3) the amylopectin for amaranth starch was less branched with small clusters, which was associated with the high crystallinity, medium shear-resistance and low pasting viscosity of amaranth starch. Despite the small size of starch granules, SGS in both native and swelling states showed the capacity of retaining small molecules. Compared to large-granule starch, native SGS are more difficult for small molecules to reach an equilibrium permeation. This work provides insights to the fine structure and physicochemical behaviors of selected high-potent SGS, which is believed to support the industrial production and application of SGS in the future.</p> <p>The characteristics of local polymeric structure dominate many critical properties of glucan particles, such as starch retrogradation and the loading and stabilizing of active substance. Molecular rotor (MR), a fluorescent probe, was proposed to fulfill the simple, high-sensitive, and quantitative-based characterization of local glucan architecture (LGA). In the present work, two innovative studies relevant to this novel method were conducted: (1) MR was able to characterize glucans based on its unique fluorescent response to characteristic LGA, (2) MR was able to sensitively probe and visually demonstrate the transition of LGA induced by starch retrogradation. This novel MR-based approach is expected to advance carbohydrate-related researches in the future.</p>

Two different soils may be generated from open-pit mining: lumpy soils with a granular structure and clay mixtures, depending on the length of the conveyor belt and the strength of the original soils. Lumpy soils may be created for a high strength of the excavated soils. They are dumped as landfills without any compaction, which permits the water and air flows via the inter-lump voids. As a result, a new structure consisting of the lumps and reconstituted soil within the inter-lump voids can be created. However, if the original soil has a low strength or a long transportation takes place, the material may disintegrate into small lumps and thoroughly mix soils from different layers. Landfills consisting of clay mixtures arise in this way. The stability and deformation of landfills are crucial for design of occupied area and landfill slopes. For this reason, three different landfill materials will be investigated in this thesis: (1) the lumpy granular soil from fresh landfills, (2) the lumpy composite soil corresponding to old landfills and (3) clay mixtures. Firstly, an artificial lumpy soil was investigated. It is a transition form between the reconstituted and natural lumpy soils. Compression, permeability and strength of lumpy materials have been evaluated based on oedometer and triaxial tests. The shear strength of the normally consolidated lumpy specimens lies approximately on the Critical State Line of the reconstituted soil. The reconstituted soil, which exists in the inter-lump voids, plays a crucial role in the behaviour of artificial lumpy materials. Similarly to the artificial lumpy soil, inter-lump voids of the natural lumpy soil are mainly closed above a relatively small stress level, which is induced by the rearrangement of the lumps. However, its limit stress state is located above the Critical State Line of the reconstituted soil, which may be caused by the diagenetic soil structure in the natural lumps. The structure transition of the lumpy granular material can be divided into three possible stages related to the stress level. Firstly, the compressibility of a fresh lumpy is relativity high due to the closure of the inter-lump voids within a low stress range. In this stage, the hydraulic conductivity is mainly controlled by the inter-lump skeleton due to the existence of macro drainage paths, while the shear strength is controlled by the reconstituted soil around the lumps. Afterwards, its compressibility decreases with the consolidation stress and the soil behaves similarly to an overconsolidated soil. The clayfill appears to be uniform visually in this stage, but its structure is still highly heterogeneous and the hydraulic conductivity is higher than that of the reconstituted soil with the same overall specific volume. Finally, the loading reaches the preconsolidation stress of the lumps, and the whole soil volume becomes normally consolidated. Isotropically consolidated drained triaxial shear tests were performed on artificially prepared specimens with parallel and series structures. The laboratory tests show that the specimens with the series structure have the same failure mode as the constituent with the lower strength; the specimens with the parallel structure have a failure plane which crosses both constituents. As a result, the shear strength of the series specimens is only slightly higher than that of the constituent with the lower strength and the strength of the parallel specimens lies between those of the constituents. Afterwards, the behaviour of an artificial lumpy material with randomly distributed inclusions is investigated using the Finite Element Method. The computation results show that the stress ratio, defined as the ratio of the volume-average stress between the lumps and the reconstituted soil within the inter-lump voids, is significantly affected by both the volume fraction and the preconsolidation pressure of the lumps under an isotropic compression path, while the volume fraction of the lumps plays a minor role under a triaxial compression path. Based on the simulation results and analysis of the two basic configurations, a homogenization law was proposed utilizing the secant stiffnesses. The compression behavior of the lumpy composite soil was analyzed within the homogenization framework. Firstly, the volume of the composite soil was divided into four individual components. The inter-lump porosity was introduced to account for the evolution of the volume fractions of the constituents, and it was formulated as a function of the overall porosity and those of its constituents. A homogenization law was then proposed based on the analysis of the lumpy structure together with a numerical method, which gives a relationship for tangent stiffnesses of the lumpy soil and its constituents. Finally, a simple compression model was proposed for the composite lumpy material, which incorporates both the influence of the soil structure and the volume fraction change of the reconstituted soil. Furthermore, a general framework for the consolidation behaviour of the lumpy composite soil was proposed based on the double porosity concept and the homogenization theory. To describe the behaviour of lumps with low stress level, a new failure line was proposed with help of the equivalent Hvorslev pressure and critical state concept. The structure effect was incorporated into the nonlinear Hvorslev surface within sensitivity framework and the generalized Cam clay model proposed by McDowell and Hau (2003) was adopted on the wet side of the critical state. A secant stiffness, defined as the ratio between the deviatoric stress and deviatoric strain, was used in the homogenization law. Finally, a simple model for the natural lumpy soil was proposed within the homogenization framework. The physical properties, compression behaviour and remolded undrained shear strength of clay mixtures were investigated by reproducing the soils artificially in the lab. Afterwards, the models for the compression and undrained shear strength of clay mixtures were proposed. The model for the strength of the clay mixture originated from simplifying the structure of a clay mixture, in which the elements of the constituents are randomly distributed in a representative elementary volume. By defining a water content ratio (the ratio of water contents between the constituents), the undrained shear strength of each constituent was estimated separately and then combined together with corresponding volume fractions. A homogenization law was proposed afterwards based on the analysis of the randomly arranged structure. A simple compression model considering $N$ constituents was proposed within the homogenization framework, which was evaluated by a mixture with two constituents.:1 Introduction 1.1 General 1.2 Lumpy soils as landfills 1.3 Clay mixtures as landfills 1.4 Objectives of this work 1.4.1 Lumpy granular structure 1.4.2 Lumpy composite structure 1.4.3 Clay mixtures 1.5 Structure of this study 2 Literature review 2.1 Fresh-lumpy soils 2.1.1 Structure of fresh-lumpy soils 2.1.2 Mechanical behaviour of fresh lumpy soils 2.2 Lumpy composite soils 2.2.1 Basic theory of inhomogeneous soils 2.2.2 Mechanical properties of stiff lumps with low stress level 2.2.3 Numerical and theoretical investigation 2.2.4 Consolidation behaviour of lumpy soils 3 Laboratory investigation of artificial lumpy materials 3.1 Introduction 3.2 Material properties and preparation of lumpy sample 3.3 Test procedures 3.3.1 Triaxial tests 3.3.2 Oedometer tests 3.4 Initial specific volume 3.5 Behaviour of the reconstituted soil 3.6 Behaviour of the lumpy material 3.6.1 Isotropic compression 3.6.2 Oedometer tests 3.6.3 Error analysis of the initial specific volume 3.6.4 Shear strength 3.6.5 Structure transition of lumpy material 3.7 Conclusions 4 Laboratory investigation of a natural lumpy soil 4.1 Introduction 4.2 Material properties and preparation of lumpy sample 4.3 Analysis of the test results 4.3.1 Reconstituted soil 4.3.2 Natural soil 4.3.3 Natural lumpy soil 4.3.4 Discussions on the shear strength of natural lumpy soil 4.4 Conclusions 5 Structure transition of lumpy materials 5.1 Introduction 5.2 Experimental investigation 5.2.1 Material properties and preparation of lumpy samples 5.2.2 Test results and data from literature 5.2.3 Structure transition of the lumpy material in oedometer test 5.2.4 Evolution of inter-lump voids of fresh lumpy soils 5.3 Interpretation of the structure transition of clayfills in the field 5.4 Conclusions 6 Two basic configurations for inhomogeneous soils 6.1 Introduction 6.2 Materials and sample preparation 6.3 Homogeneous soil 6.4 Inhomogeneous samples 6.5 Comparison between inhomogeneous and homogeneous samples 6.6 Numerical homogenization 6.7 Model application 6.8 Conclusions 7 Numerical simulation of lumpy composite soils 113 7.1 Introduction 7.2 Multiparticle generation and model calibration 7.2.1 Geometric model 7.2.2 Constitutive model for the constituents and its calibration 7.3 Numerical simulations 7.3.1 Stress distribution 7.4 A homogenization law for the stiffness of lumpy soils 7.4.1 One-dimensional model 7.4.2 General model 7.5 Homogenization law using the tangent stiffnesses under isotropic compression load 7.6 Conclusion 8 Compression behaviour of lumpy composite materials 8.1 Introduction 8.2 Experimental investigation 8.2.1 Material properties and preparation of lumpy sample 8.2.2 Test results 8.3 A compression model for lumpy soils 8.3.1 Volume divisions 8.3.2 Definitions of stresses and strains 8.3.3 Constitutive equations for the constituents 8.3.4 A homogenization law for the tangent stiffness of lumpy composite soil 8.3.5 Compression model for the lumpy composite soil 8.4 Application of the model to experimental data 8.4.1 Model parameters 8.4.2 Simulation of oedometric compression 8.4.3 Evaluation of model predictions 8.4.4 An improvement of the model 8.5 Conclusions 9 Consolidation behaviour of lumpy composite soils 9.1 Introduction 9.2 Basic components for the model 9.2.1 Volume groups of the lumpy soil 9.2.2 Stress and strain distributions for the lumpy soil 9.2.3 Permeability properties of the constituents 9.3 Derivation of the governing equations 9.3.1 Mass balance equations 9.3.2 Equilibrium differential equation 9.3.3 Simplification of the model 9.4 Finite element analysis 9.5 Model parameters and sensitivity analysis 9.6 Model evaluation 9.7 Conclusions 10 A double logarithmic Hvorslev surface 10.1 Introduction 10.2 Laboratory investigations 10.2.1 Material and test procedures 10.2.2 Test results and analysis 10.3 Double logarithmic Hvorslev surface 10.4 Full constitutive model 10.4.1 Elastic behaviour 10.4.2 The yield and plastic potential surfaces 10.4.3 Hardening parameter 10.5 Analysis of the model and its evaluation 10.5.1 Model parameters 10.5.2 Evaluation of the model 10.6 Conclusions 11 A simple model for natural lumpy composite soils 11.1 Introduction 11.2 Lumpy soil as a composite material 11.2.1 Volume fraction of reconstituted soil in lumpy composite soils 11.2.2 Definitions of stresses and strains 11.3 Constitutive equations for the constituents 11.3.1 Elastic behaviour 11.3.2 Hvorslev surface incorporating structure effect 11.3.3 Yield and Potential surfaces for natural lumps 11.3.4 Hardening rule and full constitutive model for natural lumps 11.3.5 Simplification of the model 11.4 Proposed model for lumpy composite soils 11.4.1 A homogenization law for lumpy composite soil 11.4.2 General model 11.5 Application of the model 11.5.1 Evaluation of nonlinear Hvorslev surface for natural stiff soils 11.5.2 Laboratory investigations of a natural lumpy soil 11.5.3 Model parameters 11.5.4 Model procedures 11.5.5 Model evaluations 11.6 Conclusions 12 Compression and undrained shear strength of remolded clay mixtures 12.1 Introduction 12.2 Materials and sample preparation 12.3 Compression behaviour of the mixed soil 12.4 Remolded shear strength of the clay mixtures 12.5 Conclusions 13 Undrained shear strength and water content distribution 13.1 Introduction 13.2 Structure of a clay mixture 13.3 Proposed model 13.3.1 Water content distribution 13.3.2 Undrained shear strength and liquid limit of a clay mixture 13.4 Model evaluation 14 Compression behaviour of remolded clay mixtures 14.1 Introduction 14.2 Initial water content distribution 14.3 Volume fractions and stress ratios of the constituents 14.4 Reference model for the constituents 14.4.1 A homogenization law for the tangent stiffness of the clay mixtures 14.4.2 Compression model for the clay mixtures 14.5 Validation of the proposed model 14.5.1 Model parameters 14.5.2 Simulation procedure 14.5.3 Evaluation of the model 14.6 Sensitivity analysis 14.7 Summary and conclusions 15 Summary and recommendations 15.1 Lumpy granular soils 15.2 Lumpy composite soils 15.3 Clay mixtures 15.4 Outlook and recommendations Bibliography Notations Appendices A Shear strength of the series specimens A.1 Considering the influence of the shear plane A.2 Considering the influence of nonuniform deformation B Compression curves of soil mixtures / In einem Tagebau können die feinkörnigen Böden in unterschiedlichen Zustandsformen entstehen. Dies sind zum einen klumpige Böden mit einer granular ähnlichen Struktur (Pseudokornstruktur) und einer hohen Konsistenzzahl und zum anderen Mischungen aus mehreren Tonen oder Schluffen mit niedriger Konsistenzzahl. Der Zustand wird dabei massgebend von dem Transport (z.B. Länge des Förderbandes) und dem Ausgangszustand (z.B. der Anfangsscherfestigkeit) beeinflusst. Klumpige Böden entstehen bei der Abbaggerung des natürlichen Materials auf der Abbauseite, welches eine hohe Festigkeit besitzt. Alle Böden werden normalerweise ohne Verdichtung verkippt, so entstehen bei der Verkippung von klumpigen Böden grosse Makro-Porenräume zwischen den Klumpen, welche sehr luft- bzw. wasserdurchlässig sind. Nach einiger Zeit entsteht eine neue Struktur aus den Klumpen und dem Material des sich von aussen auflösenden Klumpens, welches das Füllmaterial bildet. Wenn die Festigkeit des Ausgangsmaterials niedrig ist oder lange Transportwege stattfinden, zerfallen die Klumpen. Zudem werden die Böden von verschiedenen Schichten der Abbauseite unter einander gemischt, wodurch die Tongemische entstehen. Sowohl für die Dimensionierung und Berechnung der aus den Verkippungen entstehenden Tagebaurandböschungen sowie für eine spätere Nutzung des ehemaligen Tagebaugebietes ist die Kenntnisüber das Deformations- und Verformungsverhalten von Kippenböden notwendig. Daher wurden in dieser Arbeit Tagebauböden und ihr zeitlich veränderliches Verhalten untersucht. Dabei werden diese, bezugnehmend auf den Anfangszustand, in drei typische Materialien unterschieden: (1) der frisch verkippte klumpige Boden, (2) eine Mischung aus Klumpen und Füllmaterial, welche höhere Liegezeiten repräsentiert und (3) Mischungen von feinkörnigen Ausgangsböden. Zunächst wurden künstlich hergestellte klumpige Böden untersucht. Sie bilden eine Übergangsform zwischen aufbereiteten und natürlichen klumpigen Böden. Das Kompressions- und Scherverhalten sowie die Durchlässigkeit wurden an Ödometer und Triaxialversuchen bestimmt. Das Füllmaterial, welches die Makroporen zwischen den Klumpen füllt, spielt eine entscheidende Rolle für das Materialverhalten. Ähnlich wie bei den künstlich hergestellten klumpigen Böden schliessen sich auch bei den Böden im Tagebau die Makroporenschen bei niedrigen Spannungen. Dabei werden die Klumpen umgelagert. Allerdings befindet sich die Grenze des Spannungszustandes oberhalb der Critical State Line des Füllmaterials, was möglicherweise mit den unter Diagenese entstandenen Bodenstrukturen erklärt werden kann. Die Strukturänderung der klumpigen Böden kann aufgrund des Spannungsniveaus in drei mögliche Stufen unterteilt werden. Am Anfang ist die Kompressibilität der frischen verkippten Klumpen hoch, da sich die Makroporen bereits bei geringen Spannungen schliessen. Zu diesem Zeitpunkt sind auch die Durchlässigkeiten in erster Linie von den grossen Porenräumen der Makroporen, welche als Entwässerungspfade dienen, beeinflusst. Die Scherfestigkeit hingegen, wird durch die aufgeweichten Böden an den Oberflächen der Klumpen massgebend beeinflusst. Bei höheren Konsolidationspannungen sinkt die Kompressibilität und der Boden verhält sich wie einüberkonsolidierter Boden. Obwohl die Struktur aufgrund der veränderten Klumpenoberflächen zu diesem Zeitpunkt homogener wirkt, ist die Struktur noch heterogen und die Durchlässigkeit ist höher als bei einem aufbereiteten Boden mit gleichem spezifischem Volumen (Porenzahl). Letztendlich erreicht der aktuelle Spannungszustand den derüberkonsolidierten Klumpen und der gesamte Boden verhält sich wie ein normal konsolidierter Boden. Des Weiteren wurden isotrop konsolidierte drainierte Triaxialversuche an künstlich aus zwei Ausgangsmaterialien hergestellten Proben mit parallelen und seriellen Strukturen durchgeführt. Die Laborversuche zeigten, dass die Proben mit seriellem Aufbau dieselben Gleitflächen haben, wie der Ausgangsboden mit der niedrigeren Scherfestigkeit. Die Gleitfläche der Proben mit parallelen Strukturen verlief durch beide Materialien. Es wurde festgestellt, dass die Scherfestigkeit der seriell aufgebauten Proben geringfügig höher, als die des Bodens mit der niedrigeren Scherfestigkeit ist. Die Scherfestigkeit der parallel aufgebauten Proben liegt zwischen den beiden Ausgangsmaterialien. Danach wurde das Verhalten der künstlich erzeugten klumpigen Böden mit zufällig verteiltem Füllmaterial mit Hilfe der Finiten Elemente Methode verglichen. Die Simulationen zeigten, dass unter einer isotropen Kompressionsbelastung das Spannungsverhältnis, definiert aus dem Verhältnis der Spannung des Volumendurchschnitts zwischen den Klumpen und dem Füllmaterial, deutlich durch die Volumenanteile und die Vorkonsoliderungsspannung der Klumpen beeinflusst wird. Während das Volumenverhältnis eine untergeordnete Rolle in den in Triaxialzellen unter Scherung belasteten Proben spielt. Aus den Simulationsergebnissen und den Laborversuchen der beiden Grundkonfigurationen wurde ein Homogenisierungsgesetz abgeleitet, welches die Sekandensteifigkeiten verwendet. Das Kompressionsverhalten der Mischungen aus Klumpen und Füllmaterial wurde mit Blick auf die Homogenisierung analysiert. Zunächst kann das Volumen der Mischungen in 4 individuelle Komponentenanteile zerlegt werden. Die Makroporosität zwischen den Klumpen wurde zur Entwicklung der Volumenanteile des Füllmaterials eingeführt. Sie wurde als eine Funktion der totalen Porosität und der Materialien formuliert. Auf Grundlage einer theoretischen Analyse an klumpigen Böden und unter Zuhilfenahme einer numerischen Methode wird ein Gesetz zur Homogenisierung vorgeschlagen. Dieses enthält eine Beziehung zwischen der Tagentensteifigkeit der Klumpen und seinem Füllmaterial. Abschliessend wird ein einfaches Kompressionsmodel für die Mischung aus Klumpen und Füllmaterial vorgeschlagen, welches den Einfluss der Bodenstruktur und der Änderung des Volumenanteils des Füllmaterials berücksichtigt. Darüber hinaus wurde eine allgemeine Formulierung für das Konsolidationsverhalten der klumpigen Böden mit Füllmaterial vorgeschlagen, welche sich auf das Konzept der doppelten Porosität (Klumpen und Füllmaterial) und eine Homogenisierungstheoerie bezieht. Um das Verhalten der Klumpen bei niedrigen Spannungen zu beschreiben, wird eine neue Grenzbedingung unter Zuhilfenahme der äquivalenten Hvorslev-Spannung und des Criticial State Konzeptes vorgeschlagen. Der Struktureffekt für sensitive Böden wurde in die nichtlineare Hvorslev-Oberfläche eingebaut. Das allgemein gültige Cam-Clay-Model von McDowell und Hau (2003) wurde um die nasse Seite des Critical State Konzeptes erweitert. Eine Sekandensteifigkeit, definiert aus dem Verhältnis zwischen der Deviatorspannung und der Deviatordehnung, wurde für das Homogenisieurungsgesetz ebenfalls verwendet. Abschliessend wird ein Modell für natürliche klumpige Böden vorgestellt, welches auch eine Homogenisierung beinhaltet. Die physikalischen Eigenschaften, das Kompressionsverhalten und die undrainierten Scherfestigkeiten von aufbereiten Tongemischen wurden im Labor unter Herstellung künstlicher Bödengemische untersucht. Anschliessend wurde ein Kompressions- und Schermodell für aufbereitete Tongemische vorgeschlagen. Das Modell der Scherfestigkeit der Tongemische entstand aus der Vereinfachung der Tongemischstruktur, in welcher die Elemente der Ausgangsmaterialien zufällig in dem Einheitsvolumen verteilt sind. Werden Wassergehaltsverhältnisse (das Verhältnis der Wassergehalte der Ausgangsmaterialien) definiert, kann die undrainierte Scherfestigkeit für alle Bestandteile separat geschätzt werden und dannüber die Volumenanteile bestimmt werden. Ein Homogenisierungsgesetz wurde auf Grundlage der theoretischen Analyse von zufällig angeordneten Strukturen entwickelt. Ein einfaches Kompressionsmodell, welches N-Ausgangsmaterielien bzw. Tone und eine Homogenisierung enthält, wird vorgeschlagen, und an einer Mischung aus 2 Bestandteilen im Labor validiert.:1 Introduction 1.1 General 1.2 Lumpy soils as landfills 1.3 Clay mixtures as landfills 1.4 Objectives of this work 1.4.1 Lumpy granular structure 1.4.2 Lumpy composite structure 1.4.3 Clay mixtures 1.5 Structure of this study 2 Literature review 2.1 Fresh-lumpy soils 2.1.1 Structure of fresh-lumpy soils 2.1.2 Mechanical behaviour of fresh lumpy soils 2.2 Lumpy composite soils 2.2.1 Basic theory of inhomogeneous soils 2.2.2 Mechanical properties of stiff lumps with low stress level 2.2.3 Numerical and theoretical investigation 2.2.4 Consolidation behaviour of lumpy soils 3 Laboratory investigation of artificial lumpy materials 3.1 Introduction 3.2 Material properties and preparation of lumpy sample 3.3 Test procedures 3.3.1 Triaxial tests 3.3.2 Oedometer tests 3.4 Initial specific volume 3.5 Behaviour of the reconstituted soil 3.6 Behaviour of the lumpy material 3.6.1 Isotropic compression 3.6.2 Oedometer tests 3.6.3 Error analysis of the initial specific volume 3.6.4 Shear strength 3.6.5 Structure transition of lumpy material 3.7 Conclusions 4 Laboratory investigation of a natural lumpy soil 4.1 Introduction 4.2 Material properties and preparation of lumpy sample 4.3 Analysis of the test results 4.3.1 Reconstituted soil 4.3.2 Natural soil 4.3.3 Natural lumpy soil 4.3.4 Discussions on the shear strength of natural lumpy soil 4.4 Conclusions 5 Structure transition of lumpy materials 5.1 Introduction 5.2 Experimental investigation 5.2.1 Material properties and preparation of lumpy samples 5.2.2 Test results and data from literature 5.2.3 Structure transition of the lumpy material in oedometer test 5.2.4 Evolution of inter-lump voids of fresh lumpy soils 5.3 Interpretation of the structure transition of clayfills in the field 5.4 Conclusions 6 Two basic configurations for inhomogeneous soils 6.1 Introduction 6.2 Materials and sample preparation 6.3 Homogeneous soil 6.4 Inhomogeneous samples 6.5 Comparison between inhomogeneous and homogeneous samples 6.6 Numerical homogenization 6.7 Model application 6.8 Conclusions 7 Numerical simulation of lumpy composite soils 113 7.1 Introduction 7.2 Multiparticle generation and model calibration 7.2.1 Geometric model 7.2.2 Constitutive model for the constituents and its calibration 7.3 Numerical simulations 7.3.1 Stress distribution 7.4 A homogenization law for the stiffness of lumpy soils 7.4.1 One-dimensional model 7.4.2 General model 7.5 Homogenization law using the tangent stiffnesses under isotropic compression load 7.6 Conclusion 8 Compression behaviour of lumpy composite materials 8.1 Introduction 8.2 Experimental investigation 8.2.1 Material properties and preparation of lumpy sample 8.2.2 Test results 8.3 A compression model for lumpy soils 8.3.1 Volume divisions 8.3.2 Definitions of stresses and strains 8.3.3 Constitutive equations for the constituents 8.3.4 A homogenization law for the tangent stiffness of lumpy composite soil 8.3.5 Compression model for the lumpy composite soil 8.4 Application of the model to experimental data 8.4.1 Model parameters 8.4.2 Simulation of oedometric compression 8.4.3 Evaluation of model predictions 8.4.4 An improvement of the model 8.5 Conclusions 9 Consolidation behaviour of lumpy composite soils 9.1 Introduction 9.2 Basic components for the model 9.2.1 Volume groups of the lumpy soil 9.2.2 Stress and strain distributions for the lumpy soil 9.2.3 Permeability properties of the constituents 9.3 Derivation of the governing equations 9.3.1 Mass balance equations 9.3.2 Equilibrium differential equation 9.3.3 Simplification of the model 9.4 Finite element analysis 9.5 Model parameters and sensitivity analysis 9.6 Model evaluation 9.7 Conclusions 10 A double logarithmic Hvorslev surface 10.1 Introduction 10.2 Laboratory investigations 10.2.1 Material and test procedures 10.2.2 Test results and analysis 10.3 Double logarithmic Hvorslev surface 10.4 Full constitutive model 10.4.1 Elastic behaviour 10.4.2 The yield and plastic potential surfaces 10.4.3 Hardening parameter 10.5 Analysis of the model and its evaluation 10.5.1 Model parameters 10.5.2 Evaluation of the model 10.6 Conclusions 11 A simple model for natural lumpy composite soils 11.1 Introduction 11.2 Lumpy soil as a composite material 11.2.1 Volume fraction of reconstituted soil in lumpy composite soils 11.2.2 Definitions of stresses and strains 11.3 Constitutive equations for the constituents 11.3.1 Elastic behaviour 11.3.2 Hvorslev surface incorporating structure effect 11.3.3 Yield and Potential surfaces for natural lumps 11.3.4 Hardening rule and full constitutive model for natural lumps 11.3.5 Simplification of the model 11.4 Proposed model for lumpy composite soils 11.4.1 A homogenization law for lumpy composite soil 11.4.2 General model 11.5 Application of the model 11.5.1 Evaluation of nonlinear Hvorslev surface for natural stiff soils 11.5.2 Laboratory investigations of a natural lumpy soil 11.5.3 Model parameters 11.5.4 Model procedures 11.5.5 Model evaluations 11.6 Conclusions 12 Compression and undrained shear strength of remolded clay mixtures 12.1 Introduction 12.2 Materials and sample preparation 12.3 Compression behaviour of the mixed soil 12.4 Remolded shear strength of the clay mixtures 12.5 Conclusions 13 Undrained shear strength and water content distribution 13.1 Introduction 13.2 Structure of a clay mixture 13.3 Proposed model 13.3.1 Water content distribution 13.3.2 Undrained shear strength and liquid limit of a clay mixture 13.4 Model evaluation 14 Compression behaviour of remolded clay mixtures 14.1 Introduction 14.2 Initial water content distribution 14.3 Volume fractions and stress ratios of the constituents 14.4 Reference model for the constituents 14.4.1 A homogenization law for the tangent stiffness of the clay mixtures 14.4.2 Compression model for the clay mixtures 14.5 Validation of the proposed model 14.5.1 Model parameters 14.5.2 Simulation procedure 14.5.3 Evaluation of the model 14.6 Sensitivity analysis 14.7 Summary and conclusions 15 Summary and recommendations 15.1 Lumpy granular soils 15.2 Lumpy composite soils 15.3 Clay mixtures 15.4 Outlook and recommendations Bibliography Notations Appendices A Shear strength of the series specimens A.1 Considering the influence of the shear plane A.2 Considering the influence of nonuniform deformation B Compression curves of soil mixtures

Die unternehmensbezogenen Prozesse der Individualisierung, des Sozialstrukturwandels, der Technologieentwicklung und der Internationalisierung stehen in direktem Zusammenhang mit gesamtgesellschaftlichen Veränderungen [VGL. TÜRK, K. / LEMKE, T. / BRUCH, M. 2006 UND VGL. BOLINSKI, S. 2000]. Struktureller Wandel in der Gesellschaft führt aber zwangsläufig zu Strukturproblemen im Bildungsbereich und in der Wirtschaft. Bildungsprozesse charakterisieren somit auch die Unternehmensorganisationen als Aktionszentren der modernen Gesellschaft. Diese gegenseitige Einflussnahme von Bildung und Wirtschaft steht für eine kommunikationsbasierende Symbiose, welche auch die gesellschaftliche und ökonomische Entwicklung bis hin zur heutigen Wissensgesellschaft kennzeichnet und die folglich durch ein hohes Maß an Innovation, Forschung und Entwicklung geprägt ist. Arbeitskräfte der Zukunft benötigen theoretisches Wissen gekoppelt mit praktischem Können. Eine persönlichkeitsbildende Entwicklung erfordert somit eine Kompetenzorientiertheit für selbstständiges Handeln. Diese Fähigkeiten vermittelt lernende Tätigkeit in kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) z.B. durch duale oder kooperative Aus- und Weiterbildungskonzepte. KMU sind die in der Europäischen Union wirtschaftlich und sozial vorherrschende Unternehmensform. Sie stellen nahezu 99% aller Betriebe und bieten Beschäftigung für fast 70 Millionen Menschen. Kleine und mittleren Unternehmen erwirtschaften in Deutschland ca. 50 Prozent der steuerpflichtigen Umsätze, beschäftigen ca. 66 Prozent der Arbeitnehmer und bilden ca. 85 Prozent der Lehrlinge aus [VGL. WIPPLER, A. 2013]. Die vorliegende Arbeit liefert für die Beschreibung komplexer Phänomene einer Unternehmenssoziologie einen exemplarischen Beitrag, der normativ und explizit für das Fallbeispiel kleiner und mittlerer Unternehmen (KMU) das Bedeutungspotenzial dieses Betriebstyps als Träger wissensbasierter Handlungskapazität in der marktwirtschaftlichen Wirtschaftsordnung hervorhebt. Kleine und mittlere Betriebe sind darüber hinaus Träger einer neuen expandierenden Dynamik wissenschaftlicher Erkenntnisfindung mit Vorbildcharakter. [vgl. Roppe, K. 2014]. Um diesen wachsenden Anforderungen gerecht zu werden, bedarf es in den KMU neuer Perspektiven, Ansätze und Modelle. Das führt folglich zu der Frage, welche konkreten Konzepte notwendig und erfolgversprechend sind, um diesen ambitionierten Leitanspruch in innovativen KMU umzusetzen und weiterentwickeln. Es wird daher untersucht, wie der Ausbau individueller und organisationaler Kompetenzen, die Erhöhung des internen Bildungsniveaus sowie die Forschungs- und Entwicklungsintensität in den kleinen und mittleren Unternehmen als konjunkturbelebende Triebkräfte in hochentwickelten Industrieländern dienen. Zudem wird aufgezeigt, dass die erziehungswissenschaftliche berufliche Bildung dafür einen wichtigen Baustein darstellt und durch Prozesse geprägt ist, die Berufspädagogik auch mit Arbeitsorganisation, Technologie und Innovation verknüpft [VGL. BACHE, I. / GEORGE, S. / BULMER, S. 2011]. Daher besteht auch eine tiefe Verflechtung zwischen den beruflichen Aus-, Fort-, und Weiterbildungsprozessen und der Organisations- bzw. Unternehmenssoziologie in den KMU. Ein Individualisierungsprozess im modernen Arbeitsleben einer Wissensgesellschaft hat demnach neue organisationale Funktionsmuster. Man spricht heute davon, die Effizienz von Bildungsleistungen zu steigern, indem man mehr „Wirtschaftsorientierung“ und „Markt“ in die Pädagogik einbringt [VGL. FISCHER, A. 1954 UND VGL. GONON, P. 1992] Die Herausbildung und aktive Förderung interessenorientierter Netzwerke mit Hochschulen und Bildungseinrichtungen sind unverzichtbar für diesen Individualisierungsprozess, der neue Strategien für „Innnovationskanäle“ konzeptualisiert [VGL. ICKS, A. / ISFAN, K. 2004]. Es zeigt sich, dass die komplementäre Kooperation zwischen KMU und fachspezifischen Universitäten besonders stark ausgeprägt ist und da vor allem durch den ingenieurwissenschaftlichen Sektor überdurchschnittlich repräsentiert wird. Somit sind die thematischen Schwerpunkte des technologieorientierten Wissenstransfers und der Innovationssynergien klar im Bereich ingenieurtechnischer Anwendungsforschung gesetzt. Man spricht in der Soziologie der Wissensgesellschaft auch von „Network Society“, um in globalisierender Deutung die neuen Strukturierungen netzwerkförmiger ökonomischer, sozialer und politischer Kooperationen zu würdigen (VGL. AUER, T. / STURZ. W. 2007]. Synergien, Individualisierungsausprägungen und marktwirtschaftliche Innovationen in KMU, die durch komplementäre Kooperation mit Hochschulen, Bildungsträgern und weiteren Unternehmen in wissenschaftlichen Verbundprojekten entstehen, werden oft lediglich theoretisch gedeutet, ohne die wesentlichen praktischen Aspekte, den Qualifikations- und Kompetenzgewinn sowie die weitreichenden Vorteile konvergierender Geschäfts- und Kompetenzwelten zu untersuchen. Die Gesellschaftswissenschaften reflektieren nur unzureichend, dass die Wirtschafts- und Gesellschaftsordnung den Bestand an Kompetenzen (Fach,- Methoden,- Sozial,- Personalkompetenz) in entwicklungsfördernder Konsequenz insbesondere über KMU verbreitet und reproduziert. [VGL. COLE, T. 2010 UND SOM, O. / JÄGER, A. 2012]. Die Erwerbsorganisation KMU bietet quasi als überschaubares verkleinertes Abbild der Gesellschaft die wissenschaftliche Perspektive eines Mikrokosmos, der die entscheidenden Auswirkungen des Wandels in Wirtschaft und Gesellschaft verdeutlicht. An konkreten Beispielen wird aufgezeigt, wie Handlungsoptionen aktiv gestaltet werden können und sich die veränderten gesellschaftlichen Rahmenbedingungen für den Unternehmenserfolg nutzen lassen. Dadurch sind die Untersuchungsergebnisse und gewonnenen Erkenntnisse authentisch, verifizierbar und reproduzierbar.:INHALTSVERZEICHNIS Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis II Tabellenverzeichnis III Abkürzungsverzeichnis IV 1. Einleitung 2. Transitionsprozesse in der Gesellschaft: Arbeit und berufliche Qualifikation im Umbruch: Pluralisierung, Fortschritt und internationale Vernetzung – Moderne Entwicklungen in der Industrie- und Unternehmenssoziologie 3. Aspekte und Herausforderungen der Wissensgesellschaft – Bildung und Fachkompetenzen als wesentliche Voraussetzungen für Handlungsmöglichkeiten in der modernen Wirtschaft: Auswirkungen auf die Gesellschaft und die Arbeitswelt / Sozialer und ökonomischer Strukturwandel 4. Erwerbswirtschaftliche Unternehmensorganisationen und ihre neuen konstitutiven Merkmale: Kleine und mittlere Unternehmen als zentrale Steuerorgane der Wissensgesellschaft und Motor der gesellschaftlichen Dynamik 5. Organisationsstruktur von KMU in Bezug zum Fallbeispiel bau msr GmbH, einem mittelständischen Betrieb für Automatisierungstechnik und Industriesteuerungen aus Leipzig: Individualisierung und Unternehmenssoziologie – Wechselwirkungen zwischen Innovation, Qualifikation, Kooperation, Wertschöpfung und Autonomiegewinn 6. Komplementäre Kooperation und Netzwerkausrichtung: Synergien und Win-win-Strategien durch Partnerschaften und Projektverbünde mit wissenschaftlichen Hochschulen und Bildungsorganisationen, Forschungseinrichtungen und Institutionen des Bundes und der Länder 7. Dynamik von Organisationsnetzwerken – interne und externe Dimensionen: Modell eines entwicklungspolitisch und erziehungswissenschaftlich ausgerichteten develoPPP.de-Kooperationsprojektes „Demonstrations- und Schulungsanlage für Energieeffizienz“ am berufsbildenden ZCC – Zhejiang College of Construction in Hangzhou/Volksrepublik (VR) China mit didaktischem Lehrkonzept, Realisierungszeitraum 2011 bis 2014 8. Internationale Projektarbeit und komplementäre Kooperation mit Hochschulen und Bildungsträgern in wissenschaftlichen Verbundprojekten am Beispiel von zwei weiteren mittelständischen deutschen Unternehmen: Verbesserung der betrieblichen Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit mittels der Erschließung internationaler Märkte durch Auslandsprojekte mit Trainings- und Schulungsanteil – Analyse anhand zwei weiterer Fallbeispiele • Drechslertechnik GmbH aus Grimma, Bundesland Sachsen • ENERelektronik GmbH aus Leipzig, Bundesland Sachsen 9. Qualitäts- und stabilitätsorientierte Unternehmenskonzepte als betriebliche Entwicklungsinstrumente: Fortschritte bei der Qualifizierung und der Arbeitsorganisation unter Nutzung von Qualitätsmanagement nach DIN EN ISO 9001 und durch KVP – ständiger Prozess der kontinuierlichen organisatorischen Erneuerung und Verbesserung; Entwicklung und Gestaltung der Managementprozesse und Bildungsstrategien zur Modernisierung und Kompetenzentwicklung am Modell der bau msr GmbH, einem mittelständischen Betrieb für Energieeffizienz, Automatisierungstechnik und Industriesteuerungen aus Leipzig 10. Ergebnisse, Resümee und Ausblick Literaturverzeichnis Internetquellen Versicherung / The business-related processes of individualization, of social structure transition, of technology development and of internationalization have direct connection with transition of society as a whole. [SEE TÜRK, K. / LEMKE, T. / BRUCH, M. 2006 AND SEE BOLINSKI, P. 2000] Structural change in society would inevitably lead to structural difficulties in education and in economy sectors. Thus, educational processes also characterize the business organizations as action centers in modern society. The influence of education and economy on each other sets measures in achieving the communication-based symbiosis, which also characterizes the social and economic development through to today’s knowledge-based society and which also, as a result, is shaped by a high degree of innovation, research and development. The future workforce needs the theoretical knowledge together with practical skills. Personality development requests therefore the competence-oriented development for independent action. In small and medium-sized enterprises (SMEs, German: KMU), this skill can be taught, for example, by dual and cooperative training and qualification concept. In economic and social aspects, the small and medium-sized enterprises are the leading enterprise form in European Union. They constitute almost 99% of all the enterprises and provide employment for nearly 70 million people. The small and medium-sized enterprises generate about 50 percent of taxable transactions, employ about 66 percent of employees and train around 85 percent of the trainees. [SEE WIPPLER, A. 2013]. The present paper aims to contribute to the exemplary description of the complicated phenomena in business sociology and for the case study to normatively and explicitly emphasize the potential importance of business type of small and medium-sized enterprises as purveyor of knowledge-based operational capacity in economic order under market economy conditions. Moreover, the small and medium-sized enterprises are supporters of a new expanding dynamic of scientific recognition with model character. [SEE Roppe, K. 2014]. In order to meet the increasing requirement, new perspectives, approaches and models are needed inside the small and medium-sized enterprises. As a result, this leads to the question which concrete concepts are so necessary and promising, that this ambitious rule can be implemented and further developed in innovative small and medium-sized enterprises. Therefore, it will be researched, how the expansion of individual and organizational competence as invigorating driving forces in highly developed industrial country helps increase the internal educational level as well as the intensity of research and development in small and medium-sized enterprises. Moreover, the paper demonstrates that the educational vocational training is an important component and influenced by the process, in which the vocational education, labor organization, technology and innovation are connected. [SEE BACHE, I. / GEORGE, S. / BULMER, P. 2011] As a result, a deep interconnection between vocational education and organizational or enterprise sociology exists in small and medium-sized enterprises. The process of individualization in modern working life in knowledge-based society has gained therefore new organizational functional models. People say, the efficiency of education service increases, because the pedagogy is more economy and market-oriented. [SEE FISCHER, A. 1954 AND SEE GONON, P. 1992] The development and active promotion of interest-oriented network with colleges and educational organizations are indispensable for this process of individualization, which conceptualize the new strategy for “innovative channel”. [SEE ICKS, A. / ISFAN, K. 2004]. It is shown that the complementary cooperation between small and medium-sized enterprises and discipline-specific universities is particularly strong and by engineering science department it is representative above average. Therefore, the thematic priorities of technology-oriented knowledge transfer and the synergy of innovation fall clearly in the field of engineering science applied research. We also say “Network Society” in the sociology of knowledge-based society, in order to show recognition for new structure of network-like, economic, social and political cooperation in globalizing context. (SEE AUER, T. / STURZ, W. 2007). Synergy, forms of individualization and market economy oriented innovation in small and medium-sized enterprises, whose development is the result of complementary cooperation with universities, educational organizations and other enterprises in scientific joint projects, are usually only theoretical interpreted and without essential practical aspects, in which the gained qualification and competence as well as the extensive benefits of converging world of business and competence are researched. The reflection of social science is insufficient, that the economic and social order enlarges and reproduces the portfolio of competence (professional, methodical, social and personal competence) with development-enhancing consequence, especially about small and medium-sized enterprises [SEE COLE, T. 2010 AND SEE SOM, O. / JÄGER, A. 2012]. Small and medium-sized enterprises as business organization and as a clear and scale-reduced reflection of the society provide a scientific perspective of microcosm where the crucial impacts of economic and social transition are illustrated. Based on concrete examples, the paper shows how the options for action can be actively shaped and how the society’s changing basic condition can be of use for business success. In this way, the research results and knowledge gained are authentic, verifiable and reproducible.:INHALTSVERZEICHNIS Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis II Tabellenverzeichnis III Abkürzungsverzeichnis IV 1. Einleitung 2. Transitionsprozesse in der Gesellschaft: Arbeit und berufliche Qualifikation im Umbruch: Pluralisierung, Fortschritt und internationale Vernetzung – Moderne Entwicklungen in der Industrie- und Unternehmenssoziologie 3. Aspekte und Herausforderungen der Wissensgesellschaft – Bildung und Fachkompetenzen als wesentliche Voraussetzungen für Handlungsmöglichkeiten in der modernen Wirtschaft: Auswirkungen auf die Gesellschaft und die Arbeitswelt / Sozialer und ökonomischer Strukturwandel 4. Erwerbswirtschaftliche Unternehmensorganisationen und ihre neuen konstitutiven Merkmale: Kleine und mittlere Unternehmen als zentrale Steuerorgane der Wissensgesellschaft und Motor der gesellschaftlichen Dynamik 5. Organisationsstruktur von KMU in Bezug zum Fallbeispiel bau msr GmbH, einem mittelständischen Betrieb für Automatisierungstechnik und Industriesteuerungen aus Leipzig: Individualisierung und Unternehmenssoziologie – Wechselwirkungen zwischen Innovation, Qualifikation, Kooperation, Wertschöpfung und Autonomiegewinn 6. Komplementäre Kooperation und Netzwerkausrichtung: Synergien und Win-win-Strategien durch Partnerschaften und Projektverbünde mit wissenschaftlichen Hochschulen und Bildungsorganisationen, Forschungseinrichtungen und Institutionen des Bundes und der Länder 7. Dynamik von Organisationsnetzwerken – interne und externe Dimensionen: Modell eines entwicklungspolitisch und erziehungswissenschaftlich ausgerichteten develoPPP.de-Kooperationsprojektes „Demonstrations- und Schulungsanlage für Energieeffizienz“ am berufsbildenden ZCC – Zhejiang College of Construction in Hangzhou/Volksrepublik (VR) China mit didaktischem Lehrkonzept, Realisierungszeitraum 2011 bis 2014 8. Internationale Projektarbeit und komplementäre Kooperation mit Hochschulen und Bildungsträgern in wissenschaftlichen Verbundprojekten am Beispiel von zwei weiteren mittelständischen deutschen Unternehmen: Verbesserung der betrieblichen Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit mittels der Erschließung internationaler Märkte durch Auslandsprojekte mit Trainings- und Schulungsanteil – Analyse anhand zwei weiterer Fallbeispiele • Drechslertechnik GmbH aus Grimma, Bundesland Sachsen • ENERelektronik GmbH aus Leipzig, Bundesland Sachsen 9. Qualitäts- und stabilitätsorientierte Unternehmenskonzepte als betriebliche Entwicklungsinstrumente: Fortschritte bei der Qualifizierung und der Arbeitsorganisation unter Nutzung von Qualitätsmanagement nach DIN EN ISO 9001 und durch KVP – ständiger Prozess der kontinuierlichen organisatorischen Erneuerung und Verbesserung; Entwicklung und Gestaltung der Managementprozesse und Bildungsstrategien zur Modernisierung und Kompetenzentwicklung am Modell der bau msr GmbH, einem mittelständischen Betrieb für Energieeffizienz, Automatisierungstechnik und Industriesteuerungen aus Leipzig 10. Ergebnisse, Resümee und Ausblick Literaturverzeichnis Internetquellen Versicherung