Combining Earth Observation, Socio-Economic Surveys, and Spatial Modelling to Evaluate Ecosystem Services Bundle in Selected Landscapes of North-Eastern Mountains, Tanzania

The mountainous environments of NE Tanzania are of international relevance for safeguarding biodiversity, sequestering carbon and delivering important ecosystem services (ES) to local populations. However, these landscapes are also particularly vulnerable to land degradation due to steep slopes, fragile soils, increasing population, severe shortages of pastureland, and climate change. Hence, with population densities as high as 650 people/km2 in the highlands, and with smallholder agriculture as the main income-generating activity finding a nexus between sustainability and ES delivery and the urgent short-term economic needs of households is an important challenge. The overarching goal of this doctoral thesis is to establish a guideline framework for understanding the role of indigenous agroforestry systems in delivering ES bundle aims to enhance their long-term sustainability while finding common ground between conservation efforts and the livelihoods of rural communities. The focus was on four smallholder indigenous agroforestry systems (AGF) in mountainous landscapes in the NE Mountains of Tanzania: Kihamba (Mount Kilimanjaro), Ginger (Pare Mountains), Miraba (West Usambara Mountains) and Mixed spices (East Usambara Mountains). These landscapes form a distinct climate transect, characterised by varying altitudes, rainfall patterns, soil types, and vegetation. Publications I and II use a simple stratification approach by subdividing mountainous landscapes into equal-size study landscape boxes of 200 km2. In each box, six wards (local administrative units) were selected purposefully to characterize and describe the salient features of most common AGF practices by smallholder farmers along transects. A combination of various approaches and techniques, including earth observation, benefit transfer method (BTM) model, field and socio-economic surveys and individual-based statistical methods for the valuation of ES provision from AGF were employed. Publication III assesses the potential and variability of AGF in sequestering carbon and promoting soil fertility by field soil surveys and laboratory analyses. Publication IV evaluates vulnerable group access (i.e., availability and adequacy) to different ES by socio-economic surveys. In publication V the spatial prediction of ES tradeoffs and synergies potential in the AGF was simulated based on regenerative and degenerative scenarios using a spatial system dynamics model. Publication I reveal that Mt. Kilimanjaro has the highest delivery of ES. However, a noticeable loss in ES is evident in Mt. Kilimanjaro and the South Pare Mts. agroforestry signalling a decline that can significantly impact the livelihoods of communities that rely on highland landscapes for various ES provisioning. Additionally, the increase in ES from forests has not been sufficient to offset the losses observed in agroforestry. These findings highlight that programs promoting restoration of agroforestry can be successful yet are not sufficient for increasing overall tree cover in the studied landscapes. Publication II, moreover, highlights that within the AGF systems, the native tree cover has been partly replaced by non-native trees in Kilimanjaro and Pare, while native trees have been severely degraded in the West and East Usambara AGF systems. Concerning smallholder farmers' decision-making process across the four study landscapes, the farmers recognise the intrinsic value of native tree species. Their socioeconomic realities force them to prioritise economically significant ES delivery when selecting trees. Specifically, they tend to favour trees that support cash crops, food production, fuel, timber, fodder, or provide shade for coffee. These findings highlight alarming land use/cover changes and degradation within agroforestry ecosystems, underscoring the urgent need for frameworks that mitigate the adverse impacts while balancing development and restoration efforts with the provision of economic needs and ecosystem services. In publication III, the evidence base was built for the potential benefits of native trees for carbon sequestration and soil fertility improvement in AGF, contributing to climate change mitigation and adaptation. The findings show that the highest soil carbon sequestering potential was found in the old Kihamba systems (located on Nitisols) of Mt. Kilimanjaro compared to other systems on Acrisols of the Pare, West and East Usambara Mts. which calls for soil management practices and restoration strategies that have significant potential for optimizing the soil carbon and fertility. Next, publication IV determine who suffered most from losses in ES delivery upon landscape degradation. Degraded landscapes also become less inclusive and vulnerable groups in society, i.e. single-headed households, including female-headed households and persons living with disabilities, are unequally affected by the observed degradation, as they most of all rely on access to ES closer to their homes. The underlying drivers of this degradation, which create imbalances between conservation efforts and livelihoods, are the topic of publication V. From the dynamic model analysis applied, it is evident that farmers will require additional support and incentives to maintain native trees in their fields. This support could come from government and NGO campaigns and should be inclusive and tailored to local needs. It reveals a clear dichotomy between sustainably managed and degraded agroforests, with the future of these systems depending on the ability to transition from degeneration to regeneration. The findings of this research provide evidence across landscapes for addressing challenges and generating opportunities for the socio-ecological ecosystem services nexus in AGF in tropical mountains:Declaration of conformity................................................................................ ii Declaration of Independent Work and Consent ............................................ iii Thesis at a Glance ........................................................................................ v Graphical abstract (a) ................................................................................... vii Graphical abstract (b) ................................................................................... viii Abstract ......................................................................................................... ix PART A: SYNTHESIS.......................................................................................1 1. INTRODUCTION .........................................................................................1 1.1 Tropical Mountain Landscapes ..................................................................1 1.2 Ecosystem Services Bundle.......................................................................3 1.3 Agroforestry Systems..................................................................................5 1.3.1.1 The genesis and evolution of indigenous agroforestry systems (Drawing from the past, adapting to the future) ................................................5 1.3.1.2 Strength through diversity .................................................................... 6 1.3.1.3 Socio-cultural aspects of AGF evolution .............................................. 8 1.3.1.4 Success and setbacks ......................................................................... 9 1.3.1.5 Historical impact and evolution in Sub-Sahara Africa ..........................10 1.4 Research Questions and Objectives ..........................................................15 1.4.1 Degenerative scenario .............................................................................15 1.4.2 Regenerative scenario ............................................................................ 16 2. MATERIAL AND METHODS ........................................................................ 17 2.1. Study area ................................................................................................. 17 2.2 Overview and Critical Reflections of Methods Applied................................ 18 3. SYNTHESIS OF RESULTS AND DISCUSSION .......................................... 22 3.1 Indigenous Agroforestry Systems, Biodiversity Conservation, and Ecosystem Services Bundle (Publication I, II) ............................................................... 23 3.2 Indigenous Agroforestry Systems on Degradation and Climate-smart Solutions (Publication III)............................................................................................. 27 3.3 Indigenous Agroforestry Systems and Inclusivity (Publication IV) ............. 31 3.4 A System Dynamics Modelling: A Framework for Evaluating Ecosystem Services bundle (Publication V)................................................................................. 32 3.4.1 Trade-offs, synergies, and provision potentials in tropical mountain landscapes................................................................................................32 3.4.2 Trends and behaviours from the system dynamic model ........................ 33 3.4.3 Widening all bottlenecks in the conduit to sustainability........................... 35 4. CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS ............................................... 36 5. PERSPECTIVES FOR FURTHER RESEARCH .......................................... 39 REFERENCES ................................................................................................. 40 Acknowledgments ............................................................................................. 55 PART B: PUBLICATIONS ................................................................................. 58 PUBLICATION I ................................................................................................ 60 PUBLICATION II ............................................................................................... 98 PUBLICATION III .............................................................................................. 117 PUBLICATION IV .............................................................................................. 131 PUBLICATION V ............................................................................................... 152 List of Figures Figure 1: Ecosystem services and their link to human well-being (ES Bundle).... 4 Figure 2: Indiscriminate logging for subsequent coffee cultivation in NE Tanzania during the German colonial period before World War I........................................ 11 Figure 3: Location of the studied NE mountain landscapes of Tanzania............. 18 List of Tables Table 1: The historical evolution of agroforestry systems in Sub-Saharan Africa...13 Table 2: Historical transformation of Indigenous Agroforestry Systems in mountains regions of NE Tanzania ..........................................................................................1

Interdisziplinäre Integration von Anforderungserfassung und Variantenkonfiguration in der Prozessindustrie

Die zunehmende Komplexität bei der Planung und der Konfiguration von Anlagen in der Pro-zessindustrie stellt Ingenieure vor erhebliche Herausforderungen, insbesondere in Bezug auf die interdisziplinäre Zusammenarbeit und die Erfassung von Kundenanforderungen. In dieser Dissertation werden Methoden entwickelt, die in drei Phasen gegliedert sind und mithilfe von KI-Algorithmen und Optimierungsverfahren bestehende Probleme im Variantenmanagement, bei der Anforderungserfassung und in der Konfiguration adressieren. In der ersten Phase wird eine Methode zur Erstellung einer interdisziplinären Variantenstücklis-te entwickelt. Diese integriert heterogen spezifizierte Merkmale und Strukturbeschreibungen der Anlage aus verschiedenen Disziplinen, z. B. der Mechanik und der Verfahrenstechnik, und harmonisiert sie. Diese Harmonisierung schafft eine konsistente Datengrundlage, die die spä-tere Erfassung der Anforderungen vereinfacht und Interoperabilitätsprobleme zwischen den Disziplinen löst. In der zweiten Phase wird der Fokus auf die effiziente Erfassung von Kundenanforderungen gelegt. Aufbauend auf der interdisziplinären Variantenstückliste wird eine KI-basierte Methode zur Identifizierung einer dynamischen Fragereihenfolge und zur Generierung personalisierter Fragen für die Anforderungserfassung entwickelt. Die optimierte Fragereihenfolge erleichtert die Interaktion mit dem Kunden und reduziert den Aufwand für die Anforderungserfassung. Zudem ermöglicht die Methode, durch gezielte „Engineer-to-Order“-Spezifikationen Anforde-rungen zu erfüllen, die durch bestehende Varianten nicht abgedeckt werden. In der dritten Phase erfolgt die Variantenkonfiguration. Kundenanforderungen werden mit den bestehenden Varianten abgeglichen, um die optimale Konfiguration basierend auf den Präfe-renzen des Kunden zu ermitteln. Durch iterative Optimierungsverfahren wird sichergestellt, dass möglichst wenige Anpassungen an den bestehenden Varianten nötig sind. Parallel zur Konfiguration der Stückliste wird ein passendes Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema semiautomatisch generiert. Die Validierung der entwickelten Methoden bestätigt eine signifikante Steigerung von Effizienz und Präzision in der Harmonisierung von Merkmalsspezifikationen, der Anforderungserfassung und der Variantenkonfiguration. Insbesondere die dynamische Fragesequenz zur Anforde-rungserfassung und die eingesetzten Optimierungsansätze zur Variantenkonfiguration tragen erheblich dazu bei, den zeitlichen Aufwand zu reduzieren und Fehlerquellen im Prozess zu minimieren. Die Arbeit liefert somit Lösungen zur Steigerung der Effizienz in der Anlagenplanung. Zukünfti-ge Forschung kann darauf abzielen, die Methoden weiter zu automatisieren und auch auf an-dere Disziplinen wie die Automatisierungstechnik oder Elektrotechnik auszuweiten.:Inhaltsverzeichnis Abstract i Kurzfassung ii Danksagung iii Inhaltsverzeichnis iv Abbildungsverzeichnis vi Tabellenverzeichnis ix Abkürzungsverzeichnis xi 1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation 1 1.2 Problemstellung 2 1.3 Zielsetzung 3 1.4 Forschungslücken und Forschungsfragen 4 1.5 Aufbau der Dissertation 6 2 Stand der Forschung und Technik 7 2.1 Prozessindustrie und verfahrenstechnische Anlagen 7 2.2 Datenmanagement 8 2.2.1 Produktdatenmanagement 8 2.2.2 Anlagendatenmanagement 9 2.2.3 Assets und Merkmale 10 2.2.4 Stücklistenmanagement 12 2.2.5 Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema 17 2.3 Variantenmanagement 18 2.4 Anforderungsmanagement 21 2.5 Variantenkonfiguration 23 2.6 Künstliche Intelligenz und heuristische Methoden 26 2.6.1 Grundlagen künstlicher Intelligenz und heuristischer Methoden 26 2.6.2 Entscheidungsbäume und Monte-Carlo-Baumsuche 27 2.6.3 Branch-and-Bound-Algorithmus 30 2.6.4 Genetischer Algorithmus 32 2.6.5 Verarbeitung natürlicher Sprache 32 3 Interdisziplinäre Integration von Anforderungserfassung und Variantenkonfiguration in der Prozessindustrie 37 3.1 Anwendungsbereich und Ansatz der Methode 37 3.2 Entwicklung eines interdisziplinären Variantenmanagements (Phase 1) 40 3.2.1 Konsolidierung heterogener Merkmale 40 3.2.2 Konsolidierung der interdisziplinären Variantenstückliste 47 3.3 Erfassung von Kundenanforderungen (Phase 2) 52 3.3.1 Optimierung der Fragereihenfolge zur Anforderungserfassung 52 3.3.1.1 Anforderungserfassung als Optimierungsproblem 52 3.3.1.2 Modellierung von Antwortoptionen auf Fragen zur Anforderungserfassung 55 3.3.1.3 Optimierung der Fragereihenfolge zur Anforderungserfassung 56 3.3.2 Generierung von Fragen zur Anforderungserfassung in natürlicher Sprache 63 3.3.3 Engineer to Order Spezifikation 73 3.4 Kundenspezifische Variantenkonfiguration (Phase 3) 79 3.4.1 Ableitung anforderungskonformer Varianten 79 3.4.2 Differenzierung von Optimierungsstrategien bei der Konfiguration 81 3.4.3 Anwendung von Optimierungsalgorithmen zur Stücklistenkonfiguration 83 3.4.3.1 Aufbereitung der Stücklistendaten für eine optimierte Konfiguration 83 3.4.3.2 Genetischer Algorithmus für schnelle Konfigurationsergebnisse 86 3.4.3.3 Branch-and-Bound-Algorithmus für optimale Konfigurationsergebnisse 88 3.4.4 Konfiguration eines Rohrleitungs- und Instrumentenfließschemas der Anlage 89 3.5 Ergebnisse der Methodenentwicklung 93 4 Anwendung und Validierung der Methoden 95 4.1 Vorgehen zur Generierung quantifizierbarer Validierungsergebnisse 95 4.2 Validierung der Methoden für ein interdisziplinäres Variantenmanagement 98 4.3 Validierung der Methoden zur Erfassung der Kundenanforderungen 103 4.3.1 Validierung der MCTS-gestützten Identifizierung der Fragereihenfolge 103 4.3.2 Validierung der Anforderungserfassung durch das CARE-Modell und ETO-Spezifikation durch das ETO-Advisor-Modell 110 4.4 Validierung der Methoden zur kundenspezifischen Konfiguration 116 4.4.1 Validierung der kundenspezifischen Konfiguration 116 4.4.2 Validierung der Erstellung eines R&I-Fließschemas der konfigurierten Anlage 119 5 Zusammenfassung und Ausblick 122 5.1 Zusammenfassung 122 5.2 Ausblick 124 Literaturverzeichnis 126 Stichwortverzeichnis 141 Anhang A – Wissenschaftlich-technischer Anhang 143 Anhang B – Administrative und formale Dokumentation 154Increasing complexity in the planning and configuration of process industry plants has present-ed engineers with significant challenges, particularly regarding interdisciplinary collaboration and the collection of customer requirements. In this dissertation, methods are developed that are divided into three phases and use AI algorithms and optimization methods to address exist-ing problems in variant management, requirements engineering and configuration. In the first phase, a method for creating an interdisciplinary variant bill of materials is developed. This method integrates heterogeneously specified characteristics and structural descriptions of the plant from various disciplines, such as mechanics and process engineering, and harmonizes them. This harmonization creates a consistent data foundation, which simplifies the subse-quent collection of requirements and resolves interoperability issues between disciplines. The second phase focuses on the efficient collection of customer requirements. Building on the interdisciplinary variant bill of materials, an AI-based method is developed to identify a dynamic question sequence and generate personalized questions for requirements collection. The opti-mized question sequence facilitates interaction with the customer and reduces the effort re-quired for gathering requirements. Additionally, the method enables the fulfillment of require-ments not covered by existing variants through targeted 'Engineer-to-Order' specifications. In the third phase, variant configuration occurs. Customer requirements are matched with exist-ing variants to determine the optimal configuration based on the customer's preferences. Itera-tive optimization ensures that the fewest possible adjustments to existing variants are required. In parallel with the configuration of the bill of materials, a corresponding piping and instrumen-tation diagram is generated semi-automatically. The validation of the developed methods confirms a significant increase in efficiency and preci-sion in the harmonization of feature specifications, requirements capture and variant configura-tion. In particular, the dynamic question sequence for requirements elicitation and the optimiza-tion approaches used for variant configuration make a significant contribution to reducing the time required and minimizing sources of error in the process. The work thus provides solutions for increasing efficiency in system planning. Future research can aim to further automate the methods and extend them to other disciplines such as automa-tion technology or electrical engineering.:Inhaltsverzeichnis Abstract i Kurzfassung ii Danksagung iii Inhaltsverzeichnis iv Abbildungsverzeichnis vi Tabellenverzeichnis ix Abkürzungsverzeichnis xi 1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation 1 1.2 Problemstellung 2 1.3 Zielsetzung 3 1.4 Forschungslücken und Forschungsfragen 4 1.5 Aufbau der Dissertation 6 2 Stand der Forschung und Technik 7 2.1 Prozessindustrie und verfahrenstechnische Anlagen 7 2.2 Datenmanagement 8 2.2.1 Produktdatenmanagement 8 2.2.2 Anlagendatenmanagement 9 2.2.3 Assets und Merkmale 10 2.2.4 Stücklistenmanagement 12 2.2.5 Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema 17 2.3 Variantenmanagement 18 2.4 Anforderungsmanagement 21 2.5 Variantenkonfiguration 23 2.6 Künstliche Intelligenz und heuristische Methoden 26 2.6.1 Grundlagen künstlicher Intelligenz und heuristischer Methoden 26 2.6.2 Entscheidungsbäume und Monte-Carlo-Baumsuche 27 2.6.3 Branch-and-Bound-Algorithmus 30 2.6.4 Genetischer Algorithmus 32 2.6.5 Verarbeitung natürlicher Sprache 32 3 Interdisziplinäre Integration von Anforderungserfassung und Variantenkonfiguration in der Prozessindustrie 37 3.1 Anwendungsbereich und Ansatz der Methode 37 3.2 Entwicklung eines interdisziplinären Variantenmanagements (Phase 1) 40 3.2.1 Konsolidierung heterogener Merkmale 40 3.2.2 Konsolidierung der interdisziplinären Variantenstückliste 47 3.3 Erfassung von Kundenanforderungen (Phase 2) 52 3.3.1 Optimierung der Fragereihenfolge zur Anforderungserfassung 52 3.3.1.1 Anforderungserfassung als Optimierungsproblem 52 3.3.1.2 Modellierung von Antwortoptionen auf Fragen zur Anforderungserfassung 55 3.3.1.3 Optimierung der Fragereihenfolge zur Anforderungserfassung 56 3.3.2 Generierung von Fragen zur Anforderungserfassung in natürlicher Sprache 63 3.3.3 Engineer to Order Spezifikation 73 3.4 Kundenspezifische Variantenkonfiguration (Phase 3) 79 3.4.1 Ableitung anforderungskonformer Varianten 79 3.4.2 Differenzierung von Optimierungsstrategien bei der Konfiguration 81 3.4.3 Anwendung von Optimierungsalgorithmen zur Stücklistenkonfiguration 83 3.4.3.1 Aufbereitung der Stücklistendaten für eine optimierte Konfiguration 83 3.4.3.2 Genetischer Algorithmus für schnelle Konfigurationsergebnisse 86 3.4.3.3 Branch-and-Bound-Algorithmus für optimale Konfigurationsergebnisse 88 3.4.4 Konfiguration eines Rohrleitungs- und Instrumentenfließschemas der Anlage 89 3.5 Ergebnisse der Methodenentwicklung 93 4 Anwendung und Validierung der Methoden 95 4.1 Vorgehen zur Generierung quantifizierbarer Validierungsergebnisse 95 4.2 Validierung der Methoden für ein interdisziplinäres Variantenmanagement 98 4.3 Validierung der Methoden zur Erfassung der Kundenanforderungen 103 4.3.1 Validierung der MCTS-gestützten Identifizierung der Fragereihenfolge 103 4.3.2 Validierung der Anforderungserfassung durch das CARE-Modell und ETO-Spezifikation durch das ETO-Advisor-Modell 110 4.4 Validierung der Methoden zur kundenspezifischen Konfiguration 116 4.4.1 Validierung der kundenspezifischen Konfiguration 116 4.4.2 Validierung der Erstellung eines R&I-Fließschemas der konfigurierten Anlage 119 5 Zusammenfassung und Ausblick 122 5.1 Zusammenfassung 122 5.2 Ausblick 124 Literaturverzeichnis 126 Stichwortverzeichnis 141 Anhang A – Wissenschaftlich-technischer Anhang 143 Anhang B – Administrative und formale Dokumentation 15

Reinforced concrete plates under impact loading and mineral-bonded strengthening layer quantification

Due to its good material properties and versatility, reinforced concrete (RC) is generally considered to be the building material of the 21st century. While the static mode of action has been extensively investigated, there are still open questions regarding the material and structural behavior under impact loading, e.g. due to rockfall, ship, vehicle or aircraft impact. For example, various impact experiments documented in the literature at the structural level show that the use of shear reinforcement leads to different results, while denser flexural reinforcement or, in particular, increased plate thicknesses show consistently positive tendencies. All these parameters have in common that they can only be influenced during the construction process and that subsequent adjustments, e.g. of the component geometry or the internal reinforcement, are only possible to a limited extent to increased requirements. In times of necessary material conservation, concepts for the subsequent strengthening of existing structures are becoming increasingly important. One possibility for retrofitting is the application of mineral-bonded layers of textile-reinforced concrete (TRC) or carbon-reinforced concrete (CRC), the effect of which has already been quantitatively confirmed under impact. Based on the initial situation described above, the objective of the present work is to investigate the influences of different reinforcement conditions and rear side strengthening layers on the impact behavior of RC plates. For this purpose, an experimental parameter study was carried out as part of a coherent test program within the drop tower facility of the Otto Mohr Laboratory (OML) of the Institute of Concrete Structures (IMB) at Dresden University of Technology (TUD). A total of 38 impact tests were performed in eight different specimen configurations, the individual structural behavior was quantified by means of so-called resistance spectrums, and the plate damage as well as the inner fracture body were analyzed. Additional repeatability impact tests and static experiments were realized to evaluate the reproducibility of the results obtained and to derive the quasi-static load-bearing capacity. It has been shown that the application of a strengthening layer on the rear side increases the perforation and especially the scabbing behavior under impact loading, while the magnitude of the rise depends on the internal reinforcement condition. However, the load increase potential under quasi-static loading could not be fully exploited due to the intensive localization of the damage. As part of a final empirical evaluation, existing estimation formulas for assessing the structural behavior of RC plates under impact loading were analyzed. A selected approach was used as the basis for adapting the formulas to the results obtained from specimens with varying reinforcement conditions and additional strengthening layers. Based on the refined approach, the scabbing and perforation behavior of various specimen and strengthening configurations could be predicted, compared using empirical resistance spectrums, and validated against additional data from the literature. Thus, the work represents a starting point for future experimental investigations and provides a reliable basis for preliminarily dimensioning of RC plates and additional strengthening layers under impact loading.Der Baustoff Stahlbeton gilt aufgrund seiner guten Materialeigenschaften sowie der vielseitigen Verwendbarkeit gemeinhin als Baustoff des 21. Jarhunderts. Während die statische Wirkungsweise weitgehend untersucht ist, existieren jedoch im Bereich von stoßartigen Beanspruchungen, z. B. infolge Steinschlag, Schiffs-, Fahr-, oder Flugzeuganprall offene Fragen hinsichtlich des Material- und Bauteilverhaltens. So zeigen beispielsweise verschiedene in der Literatur dokumentierte Impaktexperimente auf Strukturebene, dass die Nutzung von Schubbewehrungen unterschiedliche Ergebnisse zur Folge hat, wohingegen dichtere Biegebewehrungen oder insbesondere vergrößerte Plattendicken durchweg positive Tendenzen aufzeigen. Alle genannten Parameter haben gemein, dass diese ausschließlich im Bauprozess beeinflussbar sind und eine nachträgliche Anpassung, beispielsweise der Bauteilgeometrie oder der inneren Bewehrung infolge gestiegener Anforderungen nur bedingt möglich ist. In Zeiten notwendiger Rohstoffeinsparungen gewinnen Konzepte zur nachträglichen Ertüchtigung bestehender Kostruktionen daher zunehmend an Bedeutung. Eine Möglichkeit zur Verstärkung ist die Applikation von mineralisch gebundenen Schichten aus Textilbeton (TRC) oder Carbonbeton (CRC), deren Funktionsweise unter Impakt breits quantitativ bestätigt werden konnte. An die beschriebene Ausgangssituation anknüpfend besteht die Zielstellung der vorliegenden Arbeit in der Untersuchung der Einflüsse verschiedener Bewehrungszustände sowie von rückseitigen Verstärkungsschichten auf das Impaktverhalten von Stahlbetonplatten. Hierfür erfolgte die Realisierung einer experimentellen Parameterstudie im Rahmen eines zusammenhängenden Versuchsprogramms innerhalb der Fallturmanlage des Otto-Mohr-Laboratoriums (OML) des Instituts für Massivbau (IMB) der Technischen Universität Dresden (TUD). Es wurden insgesamt 38 Impaktversuche in acht verschiedenen Probekörperkonfigurationen durchgeführt, das jeweilige Bauteilverhalten mittels sogenannter Widerstandsspektren quantifiziert und die Plattenschädigung bzw. der innere Bruchkörper analysiert. Zusätzliche Impakttests zur Wiederholbarkeit sowie statische Experimente erfolgten zur Beurteilung der Reproduzierbarkeit der erzielten Ergebnisse sowie zur Ableitung der quasi-statischen Tragfähigkeit. Es zeigte sich, dass durch die Applikation einer rückseitigen Verstärkungsschicht das Perforations- und insbesondere das Scabbingverhalten unter Impaktbeanspruchung gesteigert werden konnten, wobei die Größe der Zunahme in Abhängigkeit des inneren Bewehrungszustandes steht. Das Laststeigerungspotenzial unter quasi-statischer Beanspruchung konnte aufgrund der intensiven Lokalisation der Schädigung dabei jedoch nicht vollständig ausgeschöpft werden. Im Rahmen einer abschließenden empirischen Auswertung erfolgte die Analyse vorhandener Überschlagsformeln zur Beurteilung des Bauteilverhaltens von Stahlbetonplatten unter Impaktbeanspruchung. Ein ausgewählter Ansatz diente dabei als Grundlage für die Anpassung der Formeln an die erzielten Ergebnisse der Probekörper mit unterschiedlichen Bewehrungszuständen bzw. einer zusätzlichen Verstärkungsschicht. Basierend auf dem weiterentwickelten Ansatz konnten das Scabbing- und Perforationsverhalten weiterer Probekörper- und Verstärkungskonfigurationen vorausberechnet, durch empirische Widerstandsspektren miteinander verglichen und mit zusätzlichen Ergebnissen aus der Literatur validiert werden. Die Arbeiten stellen damit sowohl einen Ausgangspunkt für zukünftige experimentelle Untersuchungen als auch eine zuverlässige Grundlage zur Vordimensionierung von Stahlbetonplatten und zusätzlichen Verstärkungsschichten unter Impaktbelastung dar

Bedingungen für den sicheren und effizienten Betrieb nutzlängenüberschreitender Züge

Die vorliegende Masterarbeit behandelt die Bedingungen für den sicheren und effizienten Betrieb nutzlängenüberschreitender Züge im deutschen Schienenverkehr. Ziel der Arbeit ist die systematische Analyse von sicherheitstechnischen und betrieblichen Herausforderungen, die sich durch Züge ergeben, deren Länge die Nutzlänge vorhandener Bahninfrastruktur übersteigt. Mittels Fehlerbaumanalyse werden kritische Betriebsszenarien identifiziert und bewertet, um anschließend geeignete infrastrukturelle und organisatorische Maßnahmen zur Gewährleistung von Sicherheit und Effizienz abzuleiten. Anhand des Praxisbeispiels Adelebsen werden die gewonnenen Erkenntnisse praxisnah erläutert und Handlungsempfehlungen formuliert.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einführung 2 Grundlagen zu nutzlängenüberschreitenden Zügen 2.1 Begriffsbestimmungen 2.1.1 Zugfahrten 2.1.2 Rangierfahrten 2.1.3 Gleislängen 2.1.3.1 bauliche Länge 2.1.3.2 Gleisbruttolänge 2.1.3.3 Gleisnutzlänge 2.1.4 Nutzlängenüberschreitender Zug 2.1.4.1 Abgrenzung zu überlangen Zügen 2.1.4.2 Abgrenzung zu Zügen mit Lademaßüberschreitung 2.2 Gründe für den Betrieb nutzlängenüberschreitender Züge 3 Ausgangssituation 3.1 Eigenschaften der Eisenbahninfrastruktur 3.2 Gültige Regelwerke 3.3 Leit- und Sicherungstechnik 3.3.1 Leittechnik 3.3.2 Stellwerkstechnik 3.3.3 Ortungskomponenten 4 Rückblick und Ergänzungen zu ausgewählten Betriebssituationen 4.1 Zug endet mit anschließender Rangierfahrt an der Spitze 4.2 Zug endet mit anschließender Rangierfahrt am Ende 4.3 Zugfahrt beginnt mit Überstand der Zugspitze über das Ausfahr- oder Zwischensignal 4.4 Ergänzungen zu Mittelweichen 4.5 Nutzlängenüberschreitender Zug belegt Bahnübergang 4.6 Geschwindigkeitsüberschreitungen durch nutzlängenüberschreitende Züge 5 Anforderungen zum Betrieb nutzlängenüberschreitender Züge 5.1 Anforderungen an die Sicherheit 5.1.1 Strategien zur sicheren Systemgestaltung 5.1.2 Hilfshandlungen und Hilfsbedienungen 5.2 Organisatorische Anforderungen 6 Auswirkungen nutzlängenüberschreitender Zug- und Rangierfahrten auf die Betriebssicherheit 6.1 Auswahl der Methodik 6.2 Definition der Hauptereignisse 6.3 Systemdefinition 6.4 Modellierung des Fehlerbaums 6.4.1 Umstellung von beweglichen Fahrwegelementen unter Fahrzeugen 6.4.1.1 Betrachtungen bei fehlender GFMA und fehlendem Weichenselbstlauf 6.4.1.2 Betrachtungen bei vorhandener GFMA und vorhandenem Weichenselbstlauf 6.4.2 Eisenbahnbetrieb nur mit niedrigerem Sicherheitsniveau fortführbar 6.4.2.1 Deadlock-Situationen 6.4.2.2 Übergang einer Rangierfahrt auf eine Zugfahrt 6.4.2.3 Übergang einer Zugfahrt auf eine Rangierfahrt 6.4.3 gefährliche Situation an Bahnübergang 6.5 Auswertung der Fehlerbäume 6.5.1 Qualitative Auswertung 6.5.1.1 … zu „Umstellen von beweglichen Fahrwegelementen unter Schienenfahrzeugen“ 6.5.1.2 … zu „Eisenbahnbetrieb nur mit niedrigerem Sicherheitsniveau fortführbar“ 6.5.1.3 … zu „gefährliche Situation an einem Bahnübergang” 6.5.2 Quantitative Auswertung 6.6 Maßnahmenableitung 6.6.1 Infrastrukturelle Maßnahmen 6.6.2 Organisatorische Maßnahmen 6.6.3 Weitere Maßnahmen 6.6.4 Checkliste 7 Anwendung am Praxisbeispiel Adelebsen 7.1 Beschreibung der vorhandenen Infrastruktur 7.2 Beschreibung des gegenwärtigen Eisenbahnbetriebs 7.3 Beschreibung des Bedarfs für den Betrieb nutzlängenüberschreitender Züge 7.4 Darstellung von Betriebsszenarien 7.4.1 ankommender Zug aus Richtung Bodenfelde 7.4.2 ankommender Zug aus Richtung Göttingen 7.4.3 Beginnender Zug in Richtung Bodenfelde 7.4.4 Beginnender Zug in Richtung Göttingen 7.5 Bewertung des Einflusses nutzlängenüberschreitender Züge 7.6 Beschluss der Bundesnetzagentur 7.6.1 Beschreibung wesentlicher Thesen des Beschlusses 7.6.2 Bewertung des Beschlusses 8 Fazit 9 Ausblick und zukünftige Forschungsfelder Literatur A Anhang A.1 Fehlerbäume A.2 angenommene Fehlerwahrscheinlichkeiten für die Basisereignisse A.3 quantitative Bewertung der Minimalschnitte A.4 Checkliste für den sicheren und effizienten Betrieb nutzlängenüberschreitender Züge A.5 Beispiele für Betriebsstellen in Deutschland, in denen der Betrieb nutzlängenüberschreitender Züge lohnenswert sein kann TransparenzerklärungThis master's thesis deals with the conditions for the safe and efficient operation of trains exceeding their usable length in German rail transport. The aim of the thesis is to systematically analyse the safety and operational challenges posed by trains whose length exceeds the usable length of existing railway infrastructure. Using fault tree analysis, critical operating scenarios are identified and evaluated in order to subsequently derive suitable infrastructural and organisational measures to ensure safety and efficiency. Using the practical example of Adelebsen, the findings are explained in a practical manner and recommendations for action are formulated.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einführung 2 Grundlagen zu nutzlängenüberschreitenden Zügen 2.1 Begriffsbestimmungen 2.1.1 Zugfahrten 2.1.2 Rangierfahrten 2.1.3 Gleislängen 2.1.3.1 bauliche Länge 2.1.3.2 Gleisbruttolänge 2.1.3.3 Gleisnutzlänge 2.1.4 Nutzlängenüberschreitender Zug 2.1.4.1 Abgrenzung zu überlangen Zügen 2.1.4.2 Abgrenzung zu Zügen mit Lademaßüberschreitung 2.2 Gründe für den Betrieb nutzlängenüberschreitender Züge 3 Ausgangssituation 3.1 Eigenschaften der Eisenbahninfrastruktur 3.2 Gültige Regelwerke 3.3 Leit- und Sicherungstechnik 3.3.1 Leittechnik 3.3.2 Stellwerkstechnik 3.3.3 Ortungskomponenten 4 Rückblick und Ergänzungen zu ausgewählten Betriebssituationen 4.1 Zug endet mit anschließender Rangierfahrt an der Spitze 4.2 Zug endet mit anschließender Rangierfahrt am Ende 4.3 Zugfahrt beginnt mit Überstand der Zugspitze über das Ausfahr- oder Zwischensignal 4.4 Ergänzungen zu Mittelweichen 4.5 Nutzlängenüberschreitender Zug belegt Bahnübergang 4.6 Geschwindigkeitsüberschreitungen durch nutzlängenüberschreitende Züge 5 Anforderungen zum Betrieb nutzlängenüberschreitender Züge 5.1 Anforderungen an die Sicherheit 5.1.1 Strategien zur sicheren Systemgestaltung 5.1.2 Hilfshandlungen und Hilfsbedienungen 5.2 Organisatorische Anforderungen 6 Auswirkungen nutzlängenüberschreitender Zug- und Rangierfahrten auf die Betriebssicherheit 6.1 Auswahl der Methodik 6.2 Definition der Hauptereignisse 6.3 Systemdefinition 6.4 Modellierung des Fehlerbaums 6.4.1 Umstellung von beweglichen Fahrwegelementen unter Fahrzeugen 6.4.1.1 Betrachtungen bei fehlender GFMA und fehlendem Weichenselbstlauf 6.4.1.2 Betrachtungen bei vorhandener GFMA und vorhandenem Weichenselbstlauf 6.4.2 Eisenbahnbetrieb nur mit niedrigerem Sicherheitsniveau fortführbar 6.4.2.1 Deadlock-Situationen 6.4.2.2 Übergang einer Rangierfahrt auf eine Zugfahrt 6.4.2.3 Übergang einer Zugfahrt auf eine Rangierfahrt 6.4.3 gefährliche Situation an Bahnübergang 6.5 Auswertung der Fehlerbäume 6.5.1 Qualitative Auswertung 6.5.1.1 … zu „Umstellen von beweglichen Fahrwegelementen unter Schienenfahrzeugen“ 6.5.1.2 … zu „Eisenbahnbetrieb nur mit niedrigerem Sicherheitsniveau fortführbar“ 6.5.1.3 … zu „gefährliche Situation an einem Bahnübergang” 6.5.2 Quantitative Auswertung 6.6 Maßnahmenableitung 6.6.1 Infrastrukturelle Maßnahmen 6.6.2 Organisatorische Maßnahmen 6.6.3 Weitere Maßnahmen 6.6.4 Checkliste 7 Anwendung am Praxisbeispiel Adelebsen 7.1 Beschreibung der vorhandenen Infrastruktur 7.2 Beschreibung des gegenwärtigen Eisenbahnbetriebs 7.3 Beschreibung des Bedarfs für den Betrieb nutzlängenüberschreitender Züge 7.4 Darstellung von Betriebsszenarien 7.4.1 ankommender Zug aus Richtung Bodenfelde 7.4.2 ankommender Zug aus Richtung Göttingen 7.4.3 Beginnender Zug in Richtung Bodenfelde 7.4.4 Beginnender Zug in Richtung Göttingen 7.5 Bewertung des Einflusses nutzlängenüberschreitender Züge 7.6 Beschluss der Bundesnetzagentur 7.6.1 Beschreibung wesentlicher Thesen des Beschlusses 7.6.2 Bewertung des Beschlusses 8 Fazit 9 Ausblick und zukünftige Forschungsfelder Literatur A Anhang A.1 Fehlerbäume A.2 angenommene Fehlerwahrscheinlichkeiten für die Basisereignisse A.3 quantitative Bewertung der Minimalschnitte A.4 Checkliste für den sicheren und effizienten Betrieb nutzlängenüberschreitender Züge A.5 Beispiele für Betriebsstellen in Deutschland, in denen der Betrieb nutzlängenüberschreitender Züge lohnenswert sein kann Transparenzerklärun

Dünne Plattenelemente aus Carbonbeton mit integrierten Stromspeichermodulen – Entwicklungsprozess und Potentialanalyse

Aufgrund der Umstellung unserer Energieversorgung auf erneuerbare, dezentrale Energiequellen übernehmen Gebäude zunehmend Funktionen der Energieerzeugung, Energiespeicherung und des Energiemanagements. Um den Umbau der Energieversorgungslandschaft ökonomisch, ökologisch und sozial vorteilhaft zu gestalten, sind nachhaltige Energiespeicherkonzepte auf Gebäudeebene notwendig. Die Umsetzung von Gebäuden in Fertigteilbauweise kann wirtschaftliche und ökologische Vorteile im Vergleich zur konventionellen In-situ-Fertigung auf der Baustelle bieten. Basierend auf diesem Ansatz wurde im Rahmen dieser Arbeit der Frage nachgegangen, ob und in welchem Geltungsbereich eine Integration der elektrischen Energiespeicherung in Fertigbauelementen technisch umsetzbar sowie ökologisch und ökonomisch sinnvoll ist. Ein wichtiges Teilziel war dabei i) der Entwurf eines geeigneten Bauteildesigns, mit einem begründeten Konstruktionskonzept, einer geeigneten Material- und Speicherauswahl sowie einer potenziellen Produktionskette. Dieser Designvorschlag wurde ii) anhand wesentlicher Kennwerte bezüglich bautechnischer, herstellungstechnischer und ökologischer Eigenschaften (experimentell) untersucht und diskutiert. Abschließend wurden iii) Optimierungspotentiale abgeleitet und untersucht, sowie eine geeignete Herstellungstechnologie und Gebäudekonzept erarbeitet. Superkondensatoren stellen leistungsfähige Energiespeicher dar, welche – im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkumulatoren – eine hohe Langzeitstabilität und Leistungsdichte sowie einen breiten Betriebstemperaturbereich (von -40 bis +80 °C) aufweisen. Sie können aus nachhaltigen, kreislauffähigen und regional verfügbaren Materialien aufgebaut werden. Der Nachteil der geringen Energiedichte muss durch einen erhöhten Materialeinsatz kompensiert werden. Das Speichermaterial wurde durch eine Kassettenkonstruktion in statisch wenig relevanten Bereichen und austauschbar im Bauteil untergebracht. Carbon-beton bietet aufgrund der flexiblen und korrosionsresistenten Bewehrung sowie der fließ-fähigen und zumeist hochfesten Betonmatrix die herstellungs- und materialtechnischen Voraussetzungen für eine Integration. Bauteilartige Versuche validierten die Umsetzbarkeit der entwickelten funktionsintegrierten Fassadenplatte im Hinblick auf Herstellbarkeit, Montierbarkeit und Tragfähigkeit des Gesamtsystems. Der Vergleich mit herkömmlichen Li-Ionen-Batterien mittels Lebenszyklusanalyse zeigte eine massive Reduzierung des Treibhauspotentials, welche insbesondere auf die nachhaltige Herstellung von Superkondensatoren zurückzuführen ist und wesentlich vom Anwendungsszenario und der damit einhergehenden Materialauswahl abhängt. Der hier vorgestellte Konstruktions- und Herstellungsansatz kann somit gleichermaßen für den Bau- und den Energiesektor Lösungen bieten.:1 Einleitung und Motivation 2 Überblick zum Stand des Wissens und Hintergrung 3 Bauteilintegrierte Stromspeicherung 4 Entwurf einer generischen Konstruktionsvariante 5 Untersuchung wesentlicher Eigenschaften 6 Bauteilartige Versuche 7 Vorschlag einer Produktionstechnologie 8 Ableitung von Optimierungspotentialen 9 Zusammenfassung und Ausblic

Advancing Spine Surgery with Innovative Applications of Calcium Sulfate/Hydroxyapatite-Based Bone Substitutes

Background Pseudarthrosis and pedicle screw loosening remain significant challenges in spinal surgery, often compromising clinical outcomes. Recombinant human bone morphogenetic protein-2 (rhBMP-2) is currently the primary FDA-approved osteoinductive factor for spinal fusion. However, its application is limited by challenges, including a supraphysiological burst release due to the suboptimal carrier and premature bone resorption triggered by its pro-osteoclast activity. To address these issues, there is an urgent need to optimize rhBMP-2 delivery carrier and develop strategies to minimize its adverse effects. A promising approach to counteract the pro-osteoclast effect of rhBMP-2 is co-administration with bisphosphonates, such as zoledronic acid (ZA), which are known for their osteoclast-inhibiting properties. However, systemic administration of FDA-approved bisphosphonates presents challenges due to potential systemic side effects and limited local bioavailability, highlighting the need to explore effective local delivery strategies. In addressing pedicle screw loosening, cement augmentation with various techniques has shown benefits in enhancing fixation, particularly in osteoporotic vertebrae. However, polymethyl methacrylate (PMMA), the only FDA-approved cement for this purpose, has significant drawbacks, including non-degradability and potential thermal risks, highlighting the need for bioactive and bioresorbable alternatives. This study explores innovative applications of clinically approved calcium sulfate/hydroxyapatite (CaS/HA) biomaterial as a carrier for delivering rhBMP-2 or ZA in spinal fusion, and as a bioresorbable cement for pedicle screw augmentation, aiming to offer more effective and safer treatment alternatives for spine surgery. Research Questions The main questions investigated in this study include: (1) whether the co-delivery of rhBMP-2 and ZA using CaS/HA biomaterial enhances spinal fusion, (2) whether CaS/HA biomaterial improves the immediate anchorage strength of pedicle screws in osteoporotic vertebrae, and (3) how different augmentation techniques affect the immediate anchorage of CaS/HA cement-augmented pedicle screws in vertebrae with varying bone mineral densities (BMD). Materials and Methods (1). Spinal Fusion with CaS/HA Biomaterial Study: This study involved an in vivo experiment using 10-week-old male Wistar rats that underwent L4-L5 posterolateral fusion (PLF) with group-dependent scaffold implantation. The groups included CaS/HA alone, CaS/HA combined with rhBMP-2, and various combinations of CaS/HA with ZA (administered systemically or locally), with or without rhBMP-2. Animals were euthanized at 3- and 6-weeks post-surgery for analysis via X-ray, micro-CT, blood and histological analysis, and biomechanical testing. (2). Pedicle Screw Augmentation with CaS/HA Cement Study: An osteoporotic elderly male cadaveric spine was used to evaluate the effectiveness of CaS/HA cement augmentation. Fenestrated pedicle screws were implanted into the thoracic and lumbar vertebrae, with CaS/HA cement augmentation applied on the right side of each vertebra and the unaugmented left side served as a paired control. Intraoperative C-arm X-rays were employed to monitor screw placement and cement distribution, and a pull-out test was conducted post-augmentation to evaluate the effectiveness of the augmentation. (3). Augmentation Techniques with CaS/HA Cement Study: Cadaveric thoracic and lumbar spines from two elderly donors were used to compare the effectiveness of injecting versus pre-filling techniques for CaS/HA cement-augmented pedicle screws. Screw placement and cement distribution were evaluated with C-arm X-rays and CT scans. The immediate anchorage effects of the augmented screws were evaluated through pull-out testing, with further analysis of the impact of each augmentation technique on vertebrae with varying BMD levels. Results (1). Spinal Fusion with CaS/HA Biomaterial Study: CaS/HA alone or combined with ZA administered systemically or locally did not significantly support spinal fusion (PLF). However, the CaS/HA carrier loaded with rhBMP-2 significantly enhanced spinal fusion. The local co-delivery of rhBMP-2 and ZA accelerated spinal fusion and mitigated the adverse effects of systemic ZA administration, potentially reducing the required dose of rhBMP-2. (2). Pedicle Screw Augmentation with CaS/HA Cement Study: CaS/HA cement demonstrated good distribution and interdigitation ability within the vertebrae. Augmentation with CaS/HA significantly enhanced the maximum pull-out force of the pedicle screw, with the augmented side showing a 39.0% higher pull-out force compared to the unaugmented side. In addition, failure typically occurred at the screw-cement interface. (3). Augmentation Techniques with CaS/HA Cement Study: CaS/HA was effectively distributed around the screws within the vertebrae with both techniques. The maximum pull-out force was comparable between techniques in both non-osteoporotic and osteoporotic spines, while the absolute pull-out force was significantly higher in the non-osteoporotic spine compared with the osteoporotic spine, regardless of the technique applied. Conclusions CaS/HA biomaterial demonstrates significant potential in addressing critical challenges in spinal surgery, specifically in spinal fusion and pedicle screw fixation. As a carrier for rhBMP-2, CaS/HA effectively supports spinal fusion, and the local co-delivery of rhBMP-2 with ZA further enhances fusion while mitigating the side effects of systemic ZA administration. With CaS/HA, rhBMP-2, and ZA components already approved for clinical use, this treatment regimen offers an off-the-shelf bioactive bone substitute to enhance spinal fusion. For pedicle screw augmentation, CaS/HA cement significantly enhances screw fixation in osteoporotic vertebrae, providing a bioactive and bioresorbable alternative to PMMA. Further studies demonstrated no significant differences in screw fixation strength between injecting and pre-filling augmentation techniques using CaS/HA across varying BMD levels. These findings highlight CaS/HA as a versatile and effective biomaterial that can be tailored to meet the specific needs of spinal surgery. By providing promising solutions for both spinal fusion and screw fixation enhancement, CaS/HA biomaterial has the potential to improve patient outcomes and advance the field of spinal surgery.:Table of Contents Table of Contents V List of Abbreviations VII Legal Note VIII 1. Introduction 1 1.1 Spine Anatomy and Function 1 1.2 Spinal Diseases 2 1.2.1 Degenerative Spine Diseases 4 1.2.2 Spinal Infections 6 1.2.3 Spinal Fractures 8 1.2.4 Spinal Tumors 10 1.2.5 Spinal Deformities 12 1.2.6 Osteoporosis 14 1.3 Spinal Fusion Surgery 17 1.3.1 State of the Art: Biologics in Spinal Fusion 18 1.3.1.1 Bone Grafts 19 1.3.1.1.1 Autografts 19 1.3.1.1.2 Allografts 20 1.3.1.1.3 Xenografts 21 1.3.1.2 Bone Substitutes 21 1.3.1.2.1 Synthetics Bone 21 1.3.1.2.2 Bioactive Molecules 22 1.4 Pedicle Screw Fixation 23 1.4.1 Cement Biomaterials 24 1.4.2 Augmentation Techniques 25 1.5 Calcium Sulfate/Hydroxyapatite Biomaterial 26 1.5.1 Calcium Sulfate/Hydroxyapatite for Spinal Fusion 26 1.5.2 Calcium Sulfate/Hydroxyapatite for Pedicle Screw Augmentation 27 2. Aims of the Thesis 28 3. List of Publications Included in the Thesis 30 4. Journal Ranking in Journal Citations Report 31 5. Co-Delivery of rhBMP-2 and Zoledronic Acid Using Calcium Sulfate/ Hydroxyapatite Carrier as a Bioactive Bone Substitute to Enhance and Accelerate Spinal Fusion (Publication I) 32 5.1 Publication I: Article 33 5.2 Publication I: Published Supporting Information 49 6. Evaluation of an Injectable Biphasic Calcium Sulfate/Hydroxyapatite Cement for the Augmentation of Fenestrated Pedicle Screws in Osteoporotic Vertebrae: A Biomechanical Cadaver Study (Publication II) 60 6.1 Publication II: Article 61 6.2 Publication II: Published Supporting Information 76 7. Comparison of Immediate Anchoring Effectiveness of Two Different Techniques of Bioresorbable Ceramic Application For Pedicle Screw Augmentation (Publication III) 77 7.1 Publication III: Article 78 7.2 Publication III: Published Supporting Information 91 8. Discussion and Outlook 102 SUMMARY 109 ZUSAMMENFASSUNG 113 References 117 Acknowledgements 128 List of Other Publications (Co-)Authored by the Candidate 130 Academic Conference Participation during Doctoral Research 132 Appendix I – Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 135 Appendix 2 – Erklärung zur Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen 13

Poly(benzimidazobenzophenanthroline)-Ladder-Type Two-Dimensional Conjugated Covalent Organic Framework for Fast Proton Storage

Electrochemical proton storage plays an essential role in designing next-generation high-rate energy storage devices, e.g., aqueous batteries. Two-dimensional conjugated covalent organic frameworks (2D c-COFs) are promising electrode materials, but their competitive proton and metal-ion insertion mechanisms remain elusive, and proton storage in COFs is rarely explored. Here, we report a perinone-based poly(benzimidazobenzophenanthroline) (BBL)-ladder-type 2D c-COF for fast proton storage in both a mild aqueous Zn-ion electrolyte and strong acid. We unveil that the discharged C−O⁻ groups exhibit largely reduced basicity due to the considerable π-delocalization in perinone, thus affording the 2D c-COF a unique affinity for protons with fast kinetics. As a consequence, the 2D c-COF electrode presents an outstanding rate capability of up to 200 A g⁻¹ (over 2500 C), surpassing the state-of-the-art conjugated polymers, COFs, and metal–organic frameworks. Our work reports the first example of pure proton storage among COFs and highlights the great potential of BBL-ladder-type 2D conjugated polymers in future energy devices

Rates and predictors of mental health care utilisation in patients following a prolonged stay on intensive care unit: a prospective cohort study

Objectives: An acute critical illness and secondary complications may necessitate a prolonged treatment on an intensive care unit (ICU). As long-term consequences, ICU survivors may suffer from both physical and psychological sequelae. To improve the aftercare of these patients, the present study aimed to assess the use of mental healthcare and associated factors following prolonged ICU stay. Methods: N=197 patients with a primary diagnosis of critical illness polyneuropathy/myopathy were enrolled within 4 weeks (T1) and interviewed three (T2) and six (T3) months following the transfer from acute-care to postacute ICU. Symptoms and a current diagnosis of major depression/post-traumatic stress disorder (PTSD) were assessed using the Structured Clinical Interview for the Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders. The potential need for mental healthcare, its current and past use and reasons for non-use were raised. Results: Full syndromal and subsyndromal major depression/PTSD were diagnosed in 8.3%/15.6% at T2, 12.2%/23.5% at T3. About 29% of the patients reported mental healthcare utilisation. Considering somatic complaints, more important was a common reason for the non-use of mental healthcare. Female gender, previous mental healthcare, number of sepsis episodes and pension receipt increased the chance for mental healthcare utilisation, a pre-existing mental disorder decreased it. Conclusion: Every fourth patient surviving prolonged ICU treatement makes use of mental healthcare . Particularly male patients with pre-existing mental disorders should be targeted preventively, receiving specific psychoeducation about psychological long-term sequelae and mental healthcare options post-ICU.Trial registration numberDRKS00003386

Frequency dependent amplitude response of different couplant materials for mounting piezoelectric sensors

Non-destructive testing techniques, such as ultrasonic testing and acoustic emission analysis, commonly employ piezoelectric sensors for monitoring and detecting defects in structures. The quality of data acquired using these sensors is highly dependent on the coupling layer between the transducer and the structure’s surface. In this context, this study compares the signal response of four different couplant materials, namely acrylic adhesive pads, honey, vaseline, and hot glue, applied to a steel surface. For this purpose, experiments were conducted using a laser Doppler vibrometer and acoustic emission analysis to investigate the signal transmission of the couplant materials and their impact on the signal response of a coupled piezoelectric sensor VS30-V. The repeatability of the experiments was statistically analyzed. The findings indicate that acoustic emission measurements with acrylic adhesive pads exhibited the lowest relative standard deviation of 11.4%, followed by honey (13.2%), hot glue (21.9%), and vaseline (32.1%). The investigated couplant materials exhibited different effects on the signal response of the piezoelectric sensor. Specifically, acrylic adhesive pads and hot glue demonstrated more reliable signal transmission in the frequency range of 50 kHz to 65 kHz. In contrast, honey and vaseline had better performance within the frequency range of 65 kHz and 80 kHz. Considering the frequency-dependent characteristics of signal transmission and the ease of application, acrylic adhesive pads and honey are considered the preferred couplant materials for the frequency ranges of 50 kHz to 65 kHz and 65 kHz to 80 kHz, respectively

The role of transcript regions and amino acid choice in nucleosome positioning

Eukaryotic DNA is organized and compacted in a string of nucleosomes, DNA-wrapped protein cylinders. The positions of nucleosomes along DNA are not random but show well-known base pair sequence preferences that result from the sequence-dependent elastic and geometric properties of the DNA double helix. Here, we focus on DNA around transcription start sites, which are known to typically attract nucleosomes in multicellular life forms through their high GC content. We aim to understand how these GC signals, as observed in genome-wide averages, are produced and encoded through different genomic regions (mainly 5′ UTRs, coding exons, and introns). Our study uses a bioinformatics approach to decompose the genome-wide GC signal into between-region and within-region signals. We find large differences in GC signal contributions between vertebrates and plants and, remarkably, even between closely related species. Introns contribute most to the GC signal in vertebrates, while in plants the exons dominate. Further, we find signal strengths stronger on DNA than on mRNA, suggesting a biological function of GC signals along the DNA itself, as is the case for nucleosome positioning. Finally, we make the surprising discovery that both the choice of synonymous codons and amino acids contribute to the nucleosome positioning signal