This work describes theoretical studies on molecular and electronic structures of lanthanide-based single-molecule magnets focusing on their magnetic properties. In this work, two main problems are covered: the structural ordering of endohedral fullerenes in different supramolecular arrangements, and the magnetic anisotropy of lanthanides in different charge coordinations. The basic methodes used in this work are density functional theory and multiconfigurational self-consistent field.:CHAPTER 1. THEORETICAL FOUNDATIONS OF RARE-EARTH MAGNETISM 12 1.1. Single-molecule magnetism and 4f-elements 14 1.1.1. Electronic structure of 4f-elements 16 1.1.2. LS-coupling scheme 19 1.1.3. Parameterization of the Crystal-Field splitting effect. 20 1.1.4. Zeeman splitting for a free ion 24 1.1.5. Spin Hamiltonian and pseudospin approximation 24 1.1.6. Kramers theorem 25 1.1.7. Weak and strong molecular interactions. 26 1.2. Computational methods in application to Ln-based SMMs 27 1.2.1. Density functional theory (DFT). 28 1.2.2. Multiconfigurational methods in quantum chemistry 33 1.3. Role of molecular structure in single-molecular magnetism 41 1.3.1. Complexes of SMMs with organic molecules 45 1.3.2. SMMs deposited on surfaces 46 CHAPTER 2. STRUCTURAL ORDERING IN COCRYSTALS OF EMFs AND Ni(OEP) 49 2.1. Ordering in endohedral metallofullerenes 49 2.2. Modeling details 51 2.3. Conformer analysis 54 2.4. Electrostatic potential 58 CHAPTER 3. ISOMERISM OF Dy2ScN@C80 DEPOSITED ON SURFACES 61 3.1. Modeling details 62 3.2. Cluster conformation analysis 69 3.3. Charge density analysis 75 CHAPTER 4. Ho|MgO AS A SINGLE-ATOMIC MAGNET. FV-MAGNETISM. 80 4.1. DFT description of Ln|MgO 85 4.2. Ho|MgO system: ab initio calculations 92 4.3. Magnetic properties of lanthanides with FV magnetism 99 4.4. Generalized ligand field and spin Hamiltonians for FV systems. 101 CHAPTER 5. FV-MAGNETISM IN [Ln2+] METALLOCENE COMPLEXES 107 5.1. TbII(CpiPr5)2 DFT-model 108 5.2. FV-interaction in terms of ab initio multiconfigurational approach 113 5.3. Point-charge model 115

Das ATKIS-Basis-DLM der Vermessungsverwaltungen der Bundesländer dient einer Vielzahl von Anwendungen als Grundlage. Neben seiner Funktion als Basis zur Herstellung topographischer Karten bietet es die Möglichkeit, geographisch verortbare Sachverhalte zu analysieren und Rückschlüsse auf deren räumliche Verteilungsmuster zu ziehen. Durch seine einheitlich definierte Modellstruktur bietet sich das Basis-DLM auch zur GIS-gestützten Flächenerhebung, d. h. zur flächendeckenden Quantifizierung der Flächeninanspruchnahme durch verschiedene Nutzungsarten, an. Die Daten zeichnen sich durch gesetzlich gesicherte Fortführungszyklen und eine zunehmende Aktualität aus und bieten damit gute Voraussetzungen für die Verwendung im Flächenmonitoring. ATKIS-Daten der Version 3.2 sehen ausdrücklich die Möglichkeit der gegenseitigen Überlagerung bestimmter Grundflächenarten vor (AdV 2003, 3). Die Herausforderung, die sich daraus ergibt, besteht darin, die Informationen des Basis-DLM zu einem konsistenten Modell im Sinne einer lückenlosen und redundanzfreien Beschreibung der Erdoberfläche zu verarbeiten. Dies erfordert, zunächst die Relevanz der Objektarten bzgl. der Flächennutzung zu definieren und daraus eine Priorisierung abzuleiten, um Doppelbilanzierungen bei der Flächenerhebung sich überlagernder Objekte zu vermeiden. Die neue Version 6.0 der ATKIS-Modellierungsvorschriften sieht ohnehin in diesem Sinne vor, die "Erdoberfläche lückenlos und überschneidungsfrei" durch Objekte des Objektartenbereichs Tatsächliche Nutzung abzubilden (AdV 2008b, 40). Der Beitrag beschreibt die Nutzung von ATKIS-Daten (Version 3.2) zur Flächenerhebung im Rahmen des Monitors der Siedlungs- und Freiraumentwicklung (IÖR-Monitor). Dabei wird insbesondere auf die Flächenwirkung von linienhaft modellierten Objekten (Verkehrswege, Wasserläufe) hingewiesen und deren GIS-technische Verarbeitung durch Pufferung beschrieben.

Der Beitrag stellt erste Ergebnisse des Monitors der Siedlungs- und Freiraumentwicklung (IÖR-Monitor) für die Bereiche Freiraum sowie Landschafts- und Naturschutz vor. Hier geht es um die quantitative Beschreibung des Zustands, der Entwicklung und Belastung von Freiräumen durch Kernindikatoren. Der Fokus liegt dabei auf den Schutzgütern Biodiversität und Boden (mittelfristig) sowie der Erholungseignung der Landschaft. Auf Basis von Flächennutzungsinformationen verschiedener Zeitschnitte werden Analysen über die Ausstattung und Struktur der Freiräume in Deutschland einschließlich ihrer Nutzungsänderungen auf Landes-, Kreis- und Gemeindeebene durchgeführt. In der Kategorie Freiraumstruktur werden raumbezogene Kennzahlen zum Wald, zum Grünland und zu Streuobstwiesen vorgestellt. Dabei ergeben sich durch die bundesweite Auswertung von topographischen Geobasisdaten (ATKIS Basis-DLM) prinzipiell neue Möglichkeiten. Daneben werden aber auch Grenzen des aktuellen Bearbeitungsstandes dieser Daten sichtbar, wie sich beispielsweise bei Informationen zum Streuobst zeigt. In der Kategorie Landschafts- und Naturschutz werden drei aggregierte Indikatoren vorgestellt: zu den Schutzgebieten insgesamt, zu Gebieten des Natur- und Artenschutzes und zu Gebieten des Landschaftsschutzes. Die kartographische Darstellung und statistische Auswertung von Geofachdaten verschiedener Schutzgebiete liefert wichtige Informationen für die Landschaftsplanung. Raumbezogene Analysen auf dieser Basis geben zielgerichtete Hinweise auf den anthropogenen Nutzungsdruck in geschützten Landschaften sowie die Dynamik dieser Entwicklung.

Simulationsmodelle sind ein etabliertes Instrument zur Analyse von Auswirkungen exogener Schocks in komplexen Systemen. Die in jüngster Zeit gestiegene verfügbare Rechenleistung und -geschwindigkeit hat die Entwicklung detaillierterer und komplexerer Simulationsmodelle befördert. Dieser Trend hat jedoch Bedenken hinsichtlich der Unsicherheit solcher Modellergebnisse aufgeworfen und daher viele Nutzer von Simulationsmodellen dazu motiviert, Unsicherheiten in ihren Simulationen zu integrieren. Eine Möglichkeit dies systematisch zu tun besteht darin, stochastische Elemente in die Modellgleichungen zu integrieren, wodurch das jeweilige Modell zu einem Problem (mehrfacher) numerischer Integrationen wird. Da es für solche Probleme meist keine analytischen Lösungen gibt, werden numerische Approximationsmethoden genutzt. Die derzeit zur Quantifizierung von Unsicherheiten in Simulationsmodellen genutzt en Techniken, sind entweder rechenaufwändig (Monte Carlo [MC] -basierte Methoden) oder liefern Ergebnisse von heterogener Qualität (Gauß-Quadraturen [GQs]). In Anbetracht der Bedeutung von effizienten Methoden zur Quantifizierung von Unsicherheit im Zeitalter von „big data“ ist es das Ziel dieser Doktorthesis, Methoden zu entwickeln, die die Näherungsfehler von GQs verringern und diese Methoden einer breiteren Forschungsgemeinschaft zugänglich machen. Zu diesem Zweck werden zwei neuartige Methoden zur Quantifizierung von Unsicherheiten entwickelt und in vier verschiedene, große partielle und allgemeine Gleichgewichtsmodelle integriert, die sich mit Agrarumweltfragen befassen. Diese Arbeit liefert methodische Entwicklungen und ist von hoher Relevanz für angewandte Simulationsmodellierer. Obwohl die Methoden in großen Simulationsmodellen für Agrarumweltfragen entwickelt und getestet werden, sind sie nicht durch Modelltyp oder Anwendungsgebiet beschränkt, sondern können ebenso in anderen Zusammenhängen angewandt werden. / Simulation models are an established tool for assessing the impacts of exogenous shocks in complex systems. Recent increases in available computational power and speed have led to simulation models with increased levels of detail and complexity. However, this trend has raised concerns regarding the uncertainty of such model results and therefore motivated many users of simulation models to consider uncertainty in their simulations. One way is to integrate stochastic elements into the model equations, thus turning the model into a problem of (multiple) numerical integration. As, in most cases, such problems do not have analytical solutions, numerical approximation methods are applied. The uncertainty quantification techniques currently used in simulation models are either computational expensive (Monte Carlo [MC]-based methods) or produce results of varying quality (Gaussian quadratures [GQs]). Considering the importance of efficient uncertainty quantification methods in the era of big data, this thesis aims to develop methods that decrease the approximation errors of GQs and make these methods accessible to the wider research community. For this purpose, two novel uncertainty quantification methods are developed and integrated into four different large-scale partial and general equilibrium models addressing agro-environmental issues. This thesis provides method developments and is of high relevance for applied simulation modelers who struggle to apply computationally burdensome stochastic modeling methods. Although the methods are developed and tested in large-scale simulation models addressing agricultural issues, they are not restricted to a model type or field of application.

Let us consider the singularly perturbed model problem Lu := -epsilon laplace u-bu_x+cu = f with homogeneous Dirichlet boundary conditions on the unit-square (0,1)^2. Assuming that b > 0 is of order one, the small perturbation parameter 0 < epsilon << 1 causes boundary layers in the solution. In order to solve above problem numerically, it is beneficial to resolve these layers. On properly layer-adapted meshes we can apply finite element methods and observe convergence. We will consider standard Galerkin and stabilised FEM applied to above problem. Therein the polynomial order p will be usually greater then two, i.e. we will consider higher-order methods. Most of the analysis presented here is done in the standard energy norm. Nevertheless, the question arises: Is this the right norm for this kind of problem, especially if characteristic layers occur? We will address this question by looking into a balanced norm. Finally, a-posteriori error analysis is an important tool to construct adapted meshes iteratively by solving discrete problems, estimating the error and adjusting the mesh accordingly. We will present estimates on the Green’s function associated with L, that can be used to derive pointwise error estimators.

Die vorliegende Forschungsarbeit untersuchte den Einsatz didaktischer Methoden, das Interaktionsverhalten von Dozierenden und Studierenden sowie die Wirksamkeit pädagogisch-psychologischer Beratungen von Lehrenden an deutschen Hochschulen. Dabei handelte es sich um eine experimentelle Studie mit Messung der Lehrqualität durch Fragebögen, videobasierte Verhaltensanalysen und studentischen Veranstaltungsbesuch. Die Vorlesung ist nach Kerres und Pressler (2013) die effizienteste Lehrform. Sie ist ökonomisch und wird einem hohen Andrang von Studierenden gerecht. Die Vorlesung nimmt im Durchschnitt 50% der angebotenen Lehrveranstaltungen in Bachelorstudiengängen ein (Kerres & Schmidt, 2011). Diese werden wiederholt aufgrund der passiven Rolle des Studierenden sowie der einseitigen Kommunikationsform kritisiert (Apel, 1999; Schams, 2005) und verzeichnen rückläufige Besuchszahlen (Ramm, Multrus, Bargel, & Schmidt, 2014). Daher untersuchte diese Forschungsarbeit ausschließlich das Lehrveranstaltungsformat der Vorlesung. Das übergeordnete Ziel stellte die Bereitstellung detaillierter fachspezifischer und fachübergreifender Implikationen zur Verbesserung der Lehrqualität in Vorlesungen an deutschen Universitäten und Fachhochschulen dar. Dazu wurden vier verschiedene Studien durchgeführt. Studie 1 untersuchte die An- und Abwesenheit in Vorlesungen von N=1841 Studierenden. Deutschlandweit nahmen Studierende von k=42 Universitäts- und Fachhochschulstandorten teil. Die Ergebnisse zeigen, dass Studierende Vorlesungen signifikant seltener besuchten und diese weniger zeitintensiv vorbereiteten als Seminare oder Übungen. Je höher die intrinsische Motivation, die Leistungsmotivation sowie die Lebenszufriedenheit der Studierenden war, desto höher war die Anwesenheit in Vorlesungen. Die Studierenden, welche häufiger die Vorlesungen besuchten, wiesen aktuell bessere Noten auf. Zudem zeigte sich, dass je konzentrierter das Anwesenheitsverhalten war, desto besser war die Bewertung der Lehrqualität und desto mehr positive Merkmale äußerten Studierende an der Lehrveranstaltungsform Vorlesung. Die intensive Nutzung digitaler Medien durch Studierende war mit hoher Ablenkung während der Vorlesung verbunden. In der Selbsteinschätzung zeigte sich allerdings, dass Studierende durch die Nutzung des Handys am häufigsten abgelenkt waren und am wenigsten konzentriert arbeiteten. Insgesamt wünschten sich 65% der Befragten eine unterhaltsame Vorlesung. Die Studierenden wünschten sich, dass Vorlesungen besser organisiert und interaktiver gestaltet werden. Die langweilige Gestaltung der Vorlesungen wurde als Hauptgrund für Absentismus angeführt. Studie 2 untersuchte den Einsatz didaktischer Methoden zur Vermittlung von Wissen und Kompetenzen. Insgesamt nahmen N=983 Dozierende an der Untersuchung teil. Die Ergebnisse zeigten, dass den Dozierenden mehr als die Hälfte der 50 präsentierten Methoden bekannt waren. Die didaktischen Methoden Skript, Fragen stellen, Tafelbild, Zusammenfassen, Semesterplan, Ausblick und Überblick, Semesterapparat sowie Vortrag und Erklären durch Dozierende waren über 90% aller befragten Dozierenden bekannt. Dozierende der Fakultät für Geistes- und Sozialwissenschaften kannten mehr didaktische Methoden als Dozierende anderer Fakultäten. Am wenigsten didaktische Methoden kannten Dozierende aus der Fakultät für Mathematik und Naturwissenschaft. Insgesamt wurden von den Dozierenden lediglich 32% der bekannten didaktischen Methoden häufig angewendet. Dozierende mit steigender Anzahl an Lehrjahren und gehaltenen Vorlesungen kannten weniger didaktische Methoden und verwendeten diese seltener. Dozierende mit einer höheren Anzahl an hochschuldidaktischen Weiterbildungen kannten hingegen mehr didaktische Methoden. Des Weiteren zeigte sich, dass Dozierende mit einem lernorientierten Lehransatz mehr didaktische Methoden kannten und diese in ihren Vorlesungen signifikant häufiger anwendeten als inhaltsorientierte Dozierende. Darüber hinaus war diesen Dozierenden die Ausbildung überfachlicher Kompetenzen wichtiger als den inhaltorientierten Dozierenden. Die wichtigsten Kompetenzen über alle Fachbereiche hinweg waren Lernbereitschaft, Problemlösefähigkeit, Durchhaltevermögen, Eigenständigkeit sowie Zeitmanagement und Organisationsfähigkeit. Darüber hinaus sprachen sich mehr als die Hälfte aller Dozierenden dafür aus, dass Vorlesungen Studierende unterhalten müssen. Dabei befürworteten Dozierende eine unterhaltsame Vorlesung besonders, um das Interesse, die Motivation und die Aufmerksamkeit sowie die Freude am Lernen, den Lernerfolg, das Verständnis, die Mitarbeit sowie die Diskussionsbereitschaft zu fördern. Eine gute Vorlesung kennzeichnete aus Sicht der Dozierenden dabei insbesondere die Kompetenz der Lehrperson, ein anspruchsvoller Inhalt, eine gute Struktur, die Anregung zur Auseinandersetzung und dem selbständigen Mit- und Durchdenken. Studie 3 prüfte anschließend die Wirksamkeit verschiedener Varianten pädagogisch-psychologischer Beratungsansätze im Vergleich zu einem Feedback über die Lehrveranstaltungsbeurteilung ohne Beratung. Die gesamte Stichprobe beinhaltete Daten aus k=45 Lehrveranstaltungen von N=44 Dozierenden. Dabei lehrten die Dozierenden an elf verschiedenen Universitäts- und Fachhochschulstandorten. Die Veranstaltungsgröße der untersuchten Vorlesungen variierte zwischen N=10 und N=124 Studierenden. Insgesamt nahmen N=3100 Studierende teil. Die Lehrqualität wurde mittels Heidelberger Inventar zur Lehrveranstaltungsevaluation II (HILVE II; Rindermann, 2009) erfasst (Selbstratings, Ratings studentischer Teilnehmer und Teilnehmerinnen sowie videobasierte Fremdratings). Für die Einschätzung der Lehrqualität durch externe Dozierende nahmen darüber hinaus N=119 Fremdurteiler von k=37 verschiedenen Universitäten oder Fachhochschulen an der Untersuchung teil und gaben k=465 Ratings anhand eines Fragebogens zur Lehrevaluation ab. Die Frage nach der Wirksamkeit der durchgeführten hochschuldidaktischen Beratung muss im Rahmen der vorliegenden Studie mit „Nein“ beantwortet werden. Die Analysen zeigten keine signifikanten Effekte bezogen auf die Verbesserung der Lehrevaluation im Vergleich zu einer Kontrollgruppe. Darüber hinaus war die Beratung inklusive der Nutzung sozio-kognitiver Konflikte einer rein klassischen Beratung in ihrer Wirksamkeit entgegen den Erwartungen unterlegen. Die Ergebnisse zeigten weiter, dass der Wissens- bzw. Kompetenzzuwachs während einer Vorlesungsveranstaltung höher war, wenn die Lehrqualität durch die teilnehmenden Studierenden höher eingeschätzt wurde. Sowohl zum ersten Messzeitpunkt als auch zum zweiten Messzeitpunkt fanden sich bessere Lehrevaluationsergebnisse für Dozierende, welche den lernorientierten Lehransatz verfolgten. Diese Dozierenden fragten häufiger Inhalte ab, schauten das Publikum häufiger direkt an, hörten häufiger aktiv zu und reagierten häufiger mit positivem Feedback auf Studierende, welche sich in Vorlesungen häufiger zu Wort meldeten. Studie 4 untersuchte abschließend das Verhalten von N=38 Dozierenden (Datenpool Studie 3) und N=272 Studierenden und deren Interaktion. Es bestätigte sich, dass Studierende Vorlesungen, bei denen sie sich aktiver einbringen können, beispielsweise im aktiven Zuhören, im Mitschreiben von Gedanken, im Nutzen von Arbeitsmaterial oder im Stellen inhaltlich kritischer Fragen, insgesamt besser bewerteten. Die Ergebnisse zeigten weiter, dass eine häufige Verwendung beziehungsfördernder Verhaltensweisen mit aktivem Verhalten der Studierenden einherging. Jedoch zeigten sich Zusammenhänge einmal zum aktiven und einmal zum nicht aktiven Verhalten. Darüber hinaus konnten keine signifikanten Korrelationen gefunden werden. / The aim of the present research was to investigate the use of didactic methods, the interaction behavior of lecturers and students as well as the effectiveness of pedagogical and psychological counseling of lecturers at German universities. It was an experimental study with measurement of teaching quality with the help of questionnaires, video-based analysis of behavior and student attendance. Lectures are the most efficient and well-known type of teaching (Kerres & Pressler, 2013). They are economical and meet the high demand of students. Lectures occupy almost 50% of all offered courses in Bachelor´s degree (Kerres & Schmidt, 2011). Lectures are repeatedly criticized because of the passive role of the students as well as the unilateral form of communication (Apel, 1999, Schams, 2005). Furthermore student’s attendance is decreasing (Ramm, Multrus, Bargel, & Schmidt, 2014). Therefore the present study gathered only information about Lectures. The overall aim of the present study was to identify subject-specific and interdisciplinary implications for improving the quality of teaching in lectures at German universities. Four different studies were carried out for this purpose. Study 1 investigated the attendance and absence of students in lectures. The data from N=1841 students at k=42 German universities were collected. Students attended lectures significantly less frequently than seminars and tutorials and invested less time in preparation. Furthermore, a higher intrinsic motivation, achievement motivation and higher life satisfaction was associated with a higher attendance rate. Students, who attend lectures more often, had better grades at the present time. The higher the rate of attendance was, the better was the evaluation of the didactic quality. The intensive use of digital media by students was associated with high distraction during the lectures. Mainly responsible for this was the use of mobile phones. Overall, 65% of the participants voted for entertaining lectures. Lectures should be better organized and more interactive. The boring style of the lectures was the main reason for absenteeism. The aim of study 2 was to identify the main didactic methods which are currently used at German universities, their relationship to different departments and subjects and their dependence on general teaching orientations (student vs. content oriented). Finally, it was researched whether they are connected to social and personal competencies students should develop or expand from the point of view of their lecturers. Data from N = 983 instructors (professors and assistant professors) were collected. The instructors were aware of more than half of the 50 presented didactic methods. The methods script, asking questions, panel painting, synopsis, semester plan, outlook and overview, semester apparatus as well as lecture and explanation by lecturers were known to more than 90% of all participants. The results show differences in the use of didactic methods between departments and subjects. For example, instructors from the department of Humanities and Social Science knew more didactic methods than instructors of other departments. Instructors from the department of Mathematics and Natural Science knew fewest methods. Overall only 32% of the known didactic methods were frequently used by the participants. Instructors with higher teaching experience knew less didactic methods and used them less frequently. Instructors with higher amount of further education in the past knew more didactic methods. General teaching orientations and the number of used didactic method were related: Instructors with a learning oriented teaching approach knew and used more and different didactic methods than instructors with a content oriented approach. Furthermore, instructors with a learning oriented teaching approach were more interested in the education of interdisciplinary competences. The most important intended social and personal skills for instructors were willingness to learn, solving problems, power of endurance, independence as well as time management and organization skills. Following the results of study 1, the instructors also voted for entertaining lectures to promote the interest, motivation and attention of students as well as the enjoyment of learning, understanding and willingness for participation to the discussions. From the perspective of instructors, good lectures were characterized in particular by the competence of instructors, demanding content, good structure and the suggestion for discussions and independent thinking by students. Study 3 investigated the effectiveness of different variants of pedagogical and psychological counseling of instructors compared to an evaluation without counseling. The data from N=45 lectures of N=44 instructors at k=11 German universities were collected. The size of the lectures varied between N=10 and N=124 students. Overall, N=3100 students participated. In the study, the instructors themselves, their students as well as external instructors evaluate lectures – the external instructors by means of video recorded lecture sequences. The data from N=119 external instructors from k=37 different universities were collected. All external instructors together submitted k=465 external ratings. Teaching quality was assessed by means of the Heidelberg Inventory for Evaluation of Teaching (HILVE II). The question of the effectiveness of the didactic counseling has to be answered with 'no'. Analyzes showed no significant effects on the improvement of teaching quality compared to a control group. In addition, the counseling including the use of socio-cognitive conflicts was inferior in effectiveness to a classic counseling. The better the evaluation of didactic quality was, the higher was the increasing knowledge by the students. Furthermore, instructors with a learning oriented teaching approach achieved better evaluation results. These instructors frequently asked for content, frequently directly view to the audience and responded more often with positive feedback to students who frequently interacted. Finally, Study 4 investigated the behavior of N=38 instructors (data pool study 3) and N=272 students as well as their interaction. Students achieved lectures much better, in which they can contribute more actively, for example in active listening, in writing down thoughts, in the use of work material or asking critical questions in terms of the content. Furthermore, the use of relationship promoting behaviors were related to a more active behavior of students in lectures. However, this relation was also found for non-active behavior. In addition, no significant correlations could be found.

Der zielgerichtete Einsatz innovativer Operationstextilien ist eine wichtige Maßnahme zur perioperativen Infektionsprophylaxe. Operationsmäntel und -abdecktücher sind den Bereichen Mehrweg- und Einwegprodukte zuzuordnen, mit deren Nutzung ein entsprechender Ressourcenverbrauch sowie Schadstoffbelastung verbunden sind. Den Anwendern ist die Auswahl kostengünstiger und umweltfreundlicher Produkte, gleiche Funktionalität vorausgesetzt, zurzeit nicht möglich, da Operationstextilien bislang in dieser Ganzheitlichkeit noch nicht betrachtet und untersucht worden sind. Das interdisziplinäre Verbundvorhaben befasst sich deshalb mit der ganzheitlichen Evaluierung innovativer Operationstextilien unter realen Praxisbedingungen nach funktionalen, hygienischen sowie ökologisch und ökonomischen Aspekten im Verlaufe ihres Lebenszyklus. Das Verbundvorhaben wird in 4 Teilprojekten mit folgenden wissenschaftlichen Zielstellungen bearbeitet: - Entwicklung einer Methode zur ganzheitlichen Evaluierung von OP-Textilien - Bewertung der Barrierewirkung von OP-Textilien hinsichtlich ihrer Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in Abhängigkeit von den Nutzungszyklen - Bewertung der Barrierewirkung von OP-Textilien hinsichtlich ihrer Qualität und Konformität in Abhängigkeit von den Nutzungszyklen - Mikrobiologische und physikalische Untersuchungen zum Einfluss der Struktur von Operationstextilien auf deren Dampfsterilisation unter Praxisbedingungen - Ökonomische und ökologische Aspekte beim Erhalt der Barrierewirkung - Verknüpfung der funktionalen, ökonomischen und ökologischen Bewertungen zur Erstellung von Entscheidungsinstrumenten für den indikationsgerechten Einsatz von OP-Textilien. / The specific use of innovative O.R. textiles is an important measure for the perioperative infection prophylaxis. Surgical gowns and drapes are available as single-use and re-usable products. Their use is connected with the corresponding consumption of resources and environmental pollution. At present, the selection of cost-saving and environmental-friendly products with a high level of protection is not possible, because O.R. textiles have not been integral investigated up to now. Hence, the interdisciplinary project is dealing with the holistic evaluation of O.R. textiles according to hygienic, ecological and economic criteria during their life cycle influenced by real conditions in practice. The integrated project consists of 4 sub projects with the following scientific objectives: - developing of a method for the holistic evaluation of O.R. textiles - assessment of the barrier effect of the O.R. textiles in reference to the structure-properties-relations depending on the use cycles - assessment of the barrier effect of the O.R. textiles in reference to the quality and conformity depending on the use cycle - microbiological and physical investigations regarding to the influence of the structure of the O.R. textiles on the steam sterilisation in practice - ecological and economic assessment of reprocessing and preservation of the barrier function depending on the use cycles.

Die Arbeit widmet sich der Simulation und der Prognose des Materialverhaltens des Hochleistungsverbundwerkstoffes Textilbeton unter Zugbeanspruchungen. Basierend auf einer hierarchischen mechanischen Modellbildung (Multi-Skalen-Analyse) werden die Tragmechanismen des Verbundwerkstoffes auf drei Strukturebenen abgebildet. Damit lassen sich die den Verbundwerkstoff charakterisierenden mechanischen Kenngrößen aus experimentell ermittelten Kraft-Verschiebungs-Abhängigkeiten ableiten. Diese Kenngrößen sind mit heutiger Messtechnik nicht direkt experimentell bestimmbar. Es wird ein Mikro-Meso-Makro-Prognosemodell (MMM-Prognosemodell) für Textilbeton entwickelt, das basierend auf der Simulation des Mikrostrukturverhaltens das makroskopische Materialverhalten prognostiziert. Die Grundlage dafür bildet die qualitative und quantitative Bestimmung der Verbundeigenschaften zwischen der Filamentbewehrung und der einbettenden Matrix. Für das Verbundverhalten von Rovings in einer Feinbetonmatrix wird, ausgehend von einer Rovingapproximation mit superelliptischem Querschnitt, die partielle Imprägnierung des Rovings und die daraus resultierende Verbundwirkung identifiziert und simuliert. Auf Grundlage der mikro- und mesomechanischen Modelle sowie der Kalibrierung und Verifizierung des MMM-Prognosemodells durch die Simulation von Filament- und Rovingauszugsversuchen wird das makroskopische Zugverhalten von Textilbeton mit Mehrfachrissbildung prognostiziert. Die numerischen Ergebnisse werden durch die Ergebnisse der experimentellen Dehnkörperversuche validiert. Das MMM-Prognosemodell für Textilbeton wird im Rahmen einer hierarchischen Multi-Skalen-Analyse auf Zugversuche von Textilbetonbauteilen angewendet. Weiterhin wird die Verstärkungswirkung einer Textilbetonschicht an Stahlbetonbauteilen unter Biegebeanspruchung zutreffend simuliert. Es wird das nichtlineare Bauteilverhalten abgebildet, wobei die Bauteildurchbiegung, die effektiven Rovingbeanspruchungen und die Beanspruchungen der Filamente im Roving abgebildet werden. / The present work deals with the simulation and the prediction of the effective material behavior of the high performance composite textile reinforced concrete (TRC) subjected to tension. Based on a hierarchical material model within a multi scale approach the load bearing mechanisms of TRC are modeled on three structural scales. Therewith, the mechanical parameters characterizing the composite material can be deduced indirectly by experimentally determined force displacement relations obtained from roving pullout tests. These parameters cannot be obtained by contemporary measuring techniques directly. A micro-meso-macro-prediction model (MMM-PM) for TRC is developed, predicting the macroscopic material behavior by means of simulations of the microscopic and the mesoscopic material behavior. The basis is the qualitative and quantitative identification of the bond properties of the roving-matrix system. The partial impregnation of the rovings and the corresponding varying bond qualities are identified to characterize the bond behavior of rovings in a fine-grained concrete matrix. The huge variety of roving cross-sections is approximated by superellipses on the meso scale. The macroscopic behavior of TRC subjected to tension including multiple cracking of the matrix material is correctly predicted on the basis of the micro- and meso-mechanical models. The calibration and verification of the MMM-PM is performed by simulations of roving pullout tests, whereas a first validation is carried out by a comparison of the numerical predictions with the experimental data from tensile tests. The MMM-PM for TRC is applied to tensile tests of structural members made of TRC. Furthermore, a steel-reinforced concrete plate strengthened by a TRC layer is accurately simulated yielding the macroscopic deflection of the plate, the mesoscopic stress state of the roving and the microscopic stresses of the filaments.

Nowadays the developments of power supplies in military, industrial or commercial applications are growing rapidly, not only to achieve the highest efficiency but also to focus on the size and weight minimization which are playing a major role in this area. Therefore, the research trends in dc-dc, ac-dc, dc-ac, ac-ac topologies are still continuously developing into the direction of new topologies, new control concepts, new materials and devices to achieve highest efficiency and smallest size. The cost per unit is also one of the most important points of power supplies. Also, with new control methods and new ways of manufacturing, for example, the cost per unit might be reduced. Also, a simplified control concept might help to avoid discrete circuits, especially, at low power levels. The last mentioned statement is demonstrated, for instance, by the concept of the Link-Switch of the company Power Integration where an extremely small number of components are necessary. With the target of minimization, this research work explores the possibility to replace conventional electromagnetic transformers considered as the most bulky devices in power supplies by piezoelectric transformers (PT) for innovative off-line power supplies. Several control methods for a load resonant converter focusing on class-E topology utilizing PT, were developed in order to investigate and to select an appropriate control method capable of improving the efficiency and reducing the size of the converter. Efficiency should be understood in this way as maximum reliability at minimum power losses. Different controllers were evaluated for optimizing the effect of disturbances of line and load variations. The ZVS condition for a wide input voltage range and a wide output load range can be achieved by a method called duty-cycle tracking. Further, with an improved design of the PT containing an auxiliary tap, the ZVS condition can be obtained by a method called turn-on synchronization. The controlled output voltage, current or power is achieved by a variable frequency control. Further, the dynamic modeling for open loop and closed loop of load resonant converters, focused on the class-E topology, was introduced. The transient behavior of the output voltage of the open loop against perturbations such as the input voltage change, the switching frequency change, and the output load change is treated by replacing the complete circuit of the class-E converter by simple equivalent circuit models. The results from the analysis of the open loop dynamic behavior are applied to modeling the closed loop class-E converter with several control methods. The methods of linearization for exact solution and heuristic approximation for the steady state analysis were purposed. These models of linearization were implemented with the controller in its topologies to investigate the sufficient accuracy of obtained results of the regulation. Besides, the linearization models were used to observe the stability condition of the proposed control loops. Finally, the evaluation of a well-known classical control such P, I, PI, PD, PID and a simplified controller for a fixed load application by matching an appropriate switching frequency according to the input voltage, into the load resonant converter, considering class-E topology, were presented. Also, the optimum design of the controller for a load resonant converter was discussed and derived. / Die Entwicklung von Stromversorgungen in militärischen, industriellen und kommerziellen Anwendungen nimmt bis heute tendenziell stark zu. Nicht nur zur Erzielung höchster Wirkungsgrade, sondern auch im Hinblick auf Baugrößen- und Gewichtsminimierung, welche eine vorrangige Rolle spielen, ist diese Tendenz zu verzeichnen. Diesbezüglich gehen die Forschungstrends bei DC-DC, AC-DC, DC-AC und AC-AC Topologien in Richtung neuer Topologien, neuer Regelungskonzepte, sowie neuer Materialien und Bauelemente, um den höchsten Wirkungsgrad bei kleinster Baugröße zu erreichen. Die Gerätekosten sind ebenso ein sehr wichtiger Punkt bei Stromversorgungen. Auch durch neue Regelungsmethoden und durch neue Herstellungsverfahren können die Gerätekosten beispielsweise reduziert werden. Ebenso kann ein vereinfachtes Regelungskonzept dazu verhelfen, dass diskrete Schaltungen, speziell im unteren Leistungsbereich, vermieden werden. Letzteres wird beispielsweise beim Konzept des Link-Switch der Firma Power Integration verdeutlicht, indem extern wenige Bauelemente benötigt werden. Mit dem Ziel der Miniaturisierung wird in dieser Forschungsarbeit die Möglichkeit untersucht, konventionelle elektromagnetische Transformatoren, welche in Stromversorgungen als besonders voluminös gelten, durch piezoelektrische Transformatoren (PT) bei der Herstellung innovativer Netzstromversorgungen zu ersetzen. Verschiedene Regelungsmethoden für Lastresonanzkonverter, mit dem Fokus auf eine Klasse- E-Topologie mit PT, wurden hierzu entwickelt. Dies hatte zum Ziel, ein geeignetes Regelungsverfahren zu erarbeiten und auszuwählen, welches eine verbesserte Effizienz bei reduzierter Konverter-Baugröße aufzuweisen hat. Effizienz soll hierbei verstanden werden als maximale Zuverlässigkeit bei minimalen Leistungsverlusten. Verschiedene Reglertypen wurden entworfen um die Effekte der Störungen durch Netzspannungs-und Lastvariationen regelungstechnisch zu optimieren. Die Nullspannungsschaltungsbedingung (ZVS-Bedingung) über einen weiten Bereich der Eingangspannung und einen weiten Lastbereich kann durch einen sogenannte Duty-Cycle-Nachführung mit der Frequenz erreicht werden. Weiterhin kann durch eine verbesserte Ausführung des PT auf Basis einer Hilfsanzapfung die ZVSBedingung durch eine sogenannte Einschaltsynchronisation erreicht werden. Geregelte Ausgangsspannung, Ausgangsstrom oder Ausgangsleistung werden über eine Frequenzstellung erreicht. Die dynamische Modellierung der offenen und geschlossenen Regelschleife eines Lastresonanzkonverters, wieder im Hinblick auf die Klasse-E, wird im weiteren vorgestellt. Das transiente Verhalten der Ausgangsspannung der offenen Regelschleife gegenüber Störungen durch Eingangsspannungsänderung, durch Schaltfrequenzänderung oder durch Ausgangslaständerung, wird durch den Ersatz der Klasse-E-Schaltung durch einfache Äquivalenzmodelle behandelt. Die Ergebnisse der Analyse des Verhaltens des offenenen Regelkreises werden verwendet, um den Klasse-E-Konverter mit geschlossener Regelschleife unter Verwendung verschiedener vorgestellter Regelungsmethoden zu modellieren. Methoden der Linearisierung für die exakte Lösung und für eine heuristische Approximation der statischen Analyse des eingeschwungenen Zustands werden vorgeschlagen. Diese Methoden der Linearisierung werden zusammen mit den Reglermodellen in deren jeweilige Topologie implementiert um die ausreichende Genauigkeit der erhaltenen Resultate des Regelungsverhaltens zu beurteilen. Weiterhin werden diese Linearisierungsmodelle dazu verwendet, die Stabilitätskriterien der vorgeschlagenen Regelschleife zu überwachen. Schlussendlich wird die Bestimmung der bekannten klassischen Regler (P, I, PI, PD, PID), sowie eines vereinfachten Konstantlaststellers durch geeignete Anpassung der Schaltfrequenz an die Eingangsspannung, für Lastresonanzkonverter, wieder mit Blick auf die Klasse-E, vorgestellt. Außerdem wird der optimierte Reglerentwurf für Lastresonanzkonverter diskutiert und abgeleitet.

Durch den Wandel von herkömmlichen industriellen Produktionsprozessen hin zur Industrie 4.0 sowie die höhere Dynamik der Märkte werden auch Arbeitsprozesse dynamischer. Dies erzeugt hohe Anforderungen an die Mitarbeiter, die in diesem anspruchsvollen Umfeld arbeiten, und an das Management der beteiligten Workflows und Softwarewerkzeuge. Apps, also Programme mit engem Funktionsumfang, die auf die Lösung einer bestimmten Aufgabe spezialisiert sind, eignen sich als Grundbaustein für interaktive Systeme, die an die neuen Flexibilitätsanforderungen in Produktionsprozessen angepasst sind. In dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, die es ermöglicht, spezialisierte Apps so zu kombinieren, dass nicht nur bestimmte isolierte Aufgaben, sondern auch komplexe Geschäftsprozesse damit bearbeitet werden können. Diese Methode, App-Orchestrierung genannt, ist ein Beitrag zum Forschungsgebiet der formalen Methoden der Mensch-Computer Interaktion und zur Bewältigung der Dynamisierung von komplexen Arbeitsprozessen im Zuge von Industrie 4.0. Die formale Modellierungssprache AOF-L, die auf BPMN und dem Semantic Web Stack aufbaut, wird entwickelt, und ein Software-Framework zur Modellierung und Ausführung von App-Ensembles mittels der AOF-L wird implementiert. In einer Nutzerstudie wird ein darauf aufbauendes industrielles Wartungsszenario evaluiert. / The transformation of industrial processes towards Industry 4.0 and the increasing dynamics of the markets are strong drivers for more dynamic industrial workflows. This development creates vast challenges to the staff that works in these ever changing environments and to the management of workflows and software tools. Apps — programs with a restricted set of functionality, tailored to a specific problem and its solution — are becoming more and more ubiquitous, especially on mobile devices. They are suitable as a building block for interactive systems ready to cope with the new requirements of flexible production processes. This work presents a method for combining specialized apps so that they can be used to fulfill complex business processes. The App-Orchestration approach is a contribution to the field of formal methods for human-computer interaction and to dealing with the new requirements of complex work environments in Industry 4.0 scenarios. The formal modeling language AOF-L which is based on BPMN and the semantic web stack, is presented. It can be employed to model interactive systems comprised of self-contained apps that are connected in a purposeful manner. Additionally, a software framework to model and execute App-Ensembles is implemented. In a user study an industrial maintenance scenario that was built using the developed method is evaluated.