Efficient DG-based simulations of coupled surface-subsurface water flow

Die Bedeutung der Modellierung von ober- und unterirdischen hydrologischen Prozessen für die Hochwasservorhersage, landwirtschaftliche Praktiken und Klimaforschung kann kaum überschätzt werden. Die Lösung dieser Probleme für großflächige Regionen erfordert jedoch rechnerische Herausforderungen, die effiziente numerische Methoden und parallele Berechnungen auf verteilten Rechensystemen (Supercomputern) notwendig machen. Ein ebenso wichtiger Schritt ist die Auswahl und Vereinfachung eines genauen Modells, das die Prozesse dennoch angemessen beschreibt. Diese Studie stellt einen Ansatz vor, der auf der diffusen Wellenapproximation der Flachwassergleichungen f¨ur Oberflächenströmungen und der Richards-Gleichung für Untergrundströmungen basiert. Die Herausforderung besteht darin, dass beide Gleichungen nichtlineare Diffusionsgleichungen mit lokal verschwindendem Diffusionskoeffizienten sind. Für die Diskretisierung der partiellen Differentialgleichungen wurde eine modifizierte Methode der diskontinuierlichen Galerkin-Finite-Elemente ausgewählt. Insbesondere wurde die symmetrisch gewichtete Innenstrafung mit Aufwinddiffusion verwendet, adaptiert aus Techniken der Finite-Volumen-Methode. Es wird eine neue Formulierung der Methode vorgeschlagen, die bisher in der Literatur nicht zu finden ist und die für die weitere Finite-Elemente-Analyse vorteilhaft sein könnte. Diese Wahl bietet mehrere Vorteile wie hohe Genauigkeit und Anpassungsfähigkeit, Flexibilität im Umgang mit Diskontinuitäten, Robustheit und Erhaltung physikalischer Eigenschaften, Parallelisierbarkeit und Effizienz. Sie wird erfolgreich auf unstrukturierte Gitter angewendet, was besonders vorteilhaft für Regionen mit komplexer Geometrie ist. Die Methode ermöglicht Berechnungen lokal auf jedem Gitterelement, wodurch das Datenvolumen, das zwischen CPUs ausgetauscht wird, reduziert und die Recheneffizienz erhöht wird. Bei jedem Zeitschritt des gekoppelten Problems werden zunächst Oberflächen- und Untergrundströmungen unabhängig voneinander simuliert, optional mit unterschiedlichen Zeitschritten. Ein diagonal implizites Runge-Kutta-Schema wird für die Untergrundströmung verwendet, während ein semi-implizites Schema für die Oberflächenströmung eingesetzt wird. Anschließend wird die Kopplung der erhaltenen Lösungen auf der Grundlage der Signorini-Randbedingung angewendet. Die Kopplungsmethode wird lokal an jedem Quadraturpunkt auf der Kopplungsgrenze angewendet, wodurch die Notwendigkeit des Nass-Trocken-Trackings vermieden wird. Während der Untersuchung dieses Modells wurde die ursprüngliche Hypothese durch die Anwendung eines Limiters für die Oberflächenströmung ergänzt, was die Verwendung eines größeren Zeitschritts ermöglichte. Darüber hinaus wurden effizienzsteigernde Techniken wie Code-Generierung und kubische Splines für die ressourcenintensiven Berechnungen nichtlinearer Bodenparameter eingesetzt. Auf der Basis des Softwarecodes vorheriger Forscher im Rahmen des DUNEPDELab wurde ein System implementiert, das dem vorgeschlagenen Modell und der Diskretisierung entspricht. Die Ergebnisse, die mit dem parallelen numerischen Löser im Rahmen des EXA-DUNE-Projekts erzielt wurden, werden in der Dissertation präsentiert. Das vollständig gekoppelte Modell wurde in parallelen Simulationen auf strukturierten und unstrukturierten Gittern getestet. Die Validierung erfolgte anhand von Analogien und Benchmarks aus der Literatur. Es wurde gezeigt, dass der vorgeschlagene Limiter notwendig ist, um einen stabilen und zuverlässigen Löser für hochgradige DG-Schemata zu konstruieren. Tests zur schwachen und starken Skalierbarkeit wurden in parallelen Berechnungen durchgeführt. Berechnungen wurden bei 1.18 · 108 Freiheitsgraden auf einem unstrukturierten Gitter durchgeführt, das eine reale Topographie approximiert.It is difficult to overestimate the significance of modelling surface and subsurface hydrological processes for flood prediction, agricultural practices, and climate research. However, solving these problems for large-scale regions involves computational challenges that require efficient numerical methods and parallel calculations on distributed computing systems (supercomputers). An equally important step is the selection and simplification of an accurate model that still adequately describes the processes. This thesis presents an approach based on the diffusive wave approximation of the shallow water equations for surface and Richards’ equation for subsurface flow. The challenge is that both equations are nonlinear diffusion equations with a locally vanishing diffusion coefficient. For the discretisation of the partial differential equations, a modified discontinuous Galerkin finite element method was selected. Specifically, the symmetric weighted interior penalty with upwinding diffusion, adapted from techniques used in the finite volume method. A new formulation of the method, not previously found in the literature, is proposed, which may be beneficial for further finite element analysis. This choice has several advantages, such as high order of accuracy and adaptability, flexibility in handling discontinuities, robustness and preservation of physical properties, parallelisation, and efficiency, is successfully applied to unstructured grids, which is particularly beneficial for regions with complex geometry. The method allows computations to be performed locally on each grid element, which reduces the data volume exchange between CPUs and consequently increases computational efficiency. At each time step of the coupled problem, surface and subsurface flows are first simulated independently, optionally with different time steps. A diagonally implicit Runge-Kutta scheme is used for the subsurface flow, while a semi-implicit scheme is used for the surface flow. Then, the coupling of the obtained solutions is applied based on the Signorini-type boundary condition. The coupling method is applied locally at each quadrature point on the coupling boundary, thereby avoiding the requirement for wet-dry tracking. During the investigation of this model, the initial hypothesis was supplemented with the application of a limiter for the surface flow, enabling the use of a larger time step. Additionally, efficiency-enhancing techniques, such as, code generation, and cubic splines for the resource-intensive computations of nonlinear soil parameters, were employed. Based on the software code of previous researchers within the DUNE-PDELab framework, a system corresponding to the proposed model and discretisation was implemented. Results obtained with the parallel numerical solver within the scope of the EXA-DUNE project are presented in the dissertation. The fully coupled model was tested in parallel simulations on structured and unstructured grids. A validation was conducted based on analogues and benchmarks presented in the literature. It was shown that the proposed limiter is necessary to construct a stable and reliable solver for high-order DG schemes. Tests on weak and strong scalability were performed in parallel computations. Calculations were conducted on 1.18 · 108 degrees of freedom on an unstructured grid approximating real topography

Langzeitversuche zur Veränderung von Kunststoffen in Gewässern: Untersuchung des optischen, gravimetrischen, mechanischen und thermischen Abbaus von Polypropylen in Abhängigkeit von Zuschlagsstoffen und der Verweilzeit im Wasser

In der Studie wurde das langfristige Alterungsverhalten von Polypropylen in aquatischen Systemen über vier Jahre untersucht. Drei Versuchsstände in Süß- und Salzwasser – Aquarien, Freiluftbecken und Feldversuche – wurden parallel betrieben, um zentrale Degradationsprozesse und das verbleibende Recyclingpotenzial unter realitätsnahen Bedingungen zu bewerten. Drei Materialvarianten, bestehend aus einem nicht stabilisierten sowie zwei additivierten Polypropylenen, wurden systematisch verglichen. Der bewusst vergleichende Aufbau der Untersuchungen ermöglichte es, die Aussagekraft unterschiedlicher Langzeitstudien und deren Expositionsbedingungen besser einzuordnen. Die Analyse erfolgte aus der Perspektive eines Kunststoffrecyclers und umfasste optische, gravimetrische, mechanische und thermische Verfahren. FTIR- und DSC-Messungen lieferten die zuverlässigsten Indikatoren für den Polymerabbau. MFI- und Schlagzähigkeitsmessungen, die in Langzeitstudien bislang kaum etabliert sind, erfassten die funktionalen Auswirkungen der strukturellen Veränderungen konsistent. Optische und gravimetrische Verfahren waren aufgrund von Bewuchs und Sedimentanhaftungen nur eingeschränkt interpretierbar. Die Ergebnisse zeigen, dass die Intensität der UV-Exposition die Alterungsrate maßgeblich bestimmt. Additivierte Varianten alterten deutlich langsamer als nicht stabilisiertes Polypropylen. Die Bewertung der Recyclingfähigkeit verdeutlicht, dass unadditiviertes Polypropylen nach vier Jahren zentrale Qualitätsgrenzen überschreitet, während stabilisierte Varianten ein höheres Restpotenzial aufweisen.This study examined the long-term ageing behavior of polypropylene in aquatic systems over a period of four years. Three test sites in fresh and salt water — aquariums, open-air pools and field trials — were operated in parallel to evaluate key degradation processes and remaining recycling potential under realistic conditions. Three material variants consisting of one unstabilized polypropylene and two additive-modified polypropylenes were systematically compared. The comparative design of the investigations enables the significance of different long-term studies and their exposure conditions to be better classified. The analysis was conducted from the perspective of a plastics recycler and incorporated optical, gravimetric, mechanical and thermal methods. FTIR and DSC measurements provided the most reliable indicators of polymer degradation. MFI and impact strength measurements, which have rarely been used in long-term studies to date, consistently recorded the functional effects of structural changes. However, optical and gravimetric methods were only interpretable to a limited extent due to fouling and sediment adhesion. The results demonstrate that UV exposure intensity significantly affects the aging rate. Additive variants aged significantly more slowly than unstabilised polypropylene. The recyclability assessment shows that unstabilised polypropylene exceeds key quality limits after four years, while stabilized variants have a higher residual potential

Concept for the Analytical Fatigue Assessment of Components Made of Copper materials

Kupfer und Kupferlegierungen rücken im Zuge der Energiewende zunehmend in den Fokus des Maschinenbaus. Neben ihren funktionalen Aufgaben wie der Stromübertragung oder dem Leiten von Medien gewinnen sie auch als tragende, lastübertragende Werkstoffe an Bedeutung. Da hierbei sicherheitsrelevante Bauteile betroffen sind, ist ein zuverlässiger Festigkeitsnachweis – insbesondere unter zyklischer Belastung – unerlässlich. Dieser Nachweis erfolgt bislang entweder experimentell oder auf Basis von Erfahrungswerten. Ein allgemeingültiger, rechnerischer Ermüdungsfestigkeitsnachweis für Bauteile aus Kupferwerkstoffen existiert nicht. Ziel dieser Arbeit ist es, diese Lücke zu schließen und einen rechnerischen Ermüdungsfestigkeitsnachweis für nicht geschweißte Bauteile aus Kupferwerkstoffen zu entwickeln. Grundlage ist die FKM‑Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis“, ein etabliertes Regelwerk für den rechnerischen Festigkeitsnachweis von Bauteilen aus Stahl, Eisenguss- und Aluminiumwerkstoffen. Basierend auf einer umfassenden Datenbasis – bestehend aus Literaturdaten zur Schwingfestigkeit von Kupferwerkstoffen sowie eigenen umfangreichen Versuchsreihen – werden kupferspezifische Anpassungen der Berechnungsparameter vorgenommen. Die untersuchten Werkstoffe umfassen Reinkupfer, niedriglegierte Kupferlegierungen, Messing- sowie Bronzelegierungen. Neben Knetwerkstoffen wird auch ein Gusswerkstoff untersucht. Im Rahmen der Untersuchungen erfolgt eine quasistatische Grundcharakterisierung des Werkstoffs sowie die Bestimmung der Schwingfestigkeitseigenschaften für den Werkstoff und für bauteilähnliche Proben. Neben einstufigen Versuchen werden auch Versuche mit variabler Beanspruchungsamplitude durchgeführt, um die Schwingfestigkeitseigenschaften von bauteilähnlichen Proben für betriebsähnliche Beanspruchungen zu untersuchen. Das abgeleitete Berechnungskonzept wird durch Gegenüberstellung von rechnerischer und experimenteller Lebensdauern einer Datenbasis aus gekerbten Proben überprüft und zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen rechnerischer und experimenteller Lebensdauer. Als Ergebnis dieser Arbeit steht ein vollständig abgeleiteter, rechnerischer Ermüdungsfestigkeitsnachweis für nicht geschweißte und nicht randschichtbehandelte Bauteile aus Kupferwerkstoffen zur Verfügung. Die entwickelten Anpassungen sind so ausgearbeitet, dass eine Erweiterung der FKM-Richtlinie in ihrer kommenden, achten Auflage auf Kupfer und Kupferlegierungen ermöglicht wird.In the context of the energy transition, copper and its alloys are gaining increasing significance in mechanical engineering applications. In addition to their functional roles—such as power transmission or conducting media—they are also gaining importance as structural, load-bearing materials. Since these applications involve safety-critical components, a reliable strength assessment—especially under cyclic loading—is essential. Until now, this assessment has been carried out either experimentally or based on empirical properties. However, a generally applicable, analytical fatigue assessment for components made of copper materials does not exist, despite the urgent need for such a method to ensure resource-efficient and standards-compliant component design. The aim of this work is to close this gap by developing an analytical fatigue assessment method for non-welded components made of copper materials. The foundation for this is the FKM Guideline “Analytical Strength Assessment of Components”, an established set of rules for the analytical strength assessment of components made from steel, cast iron and aluminum materials. Based on a data set—including literature data on the fatigue strength of copper materials as well as extensive in-house testing—copper-specific adjustments to the calculation parameters are made. The materials investigated include pure copper, low-alloyed copper alloys, brass, and bronze alloys. In addition to wrought materials, one of the investigated materials is a cast material. As part of the investigations, a quasi-static basic characterization of the materials is carried out, along with the determination of fatigue strength properties for both the material itself and for component-like specimens. In addition to constant amplitude tests, variable amplitude loading tests are also conducted to examine the fatigue strength properties of component-like specimens under service-like loading conditions. The derived calculation concept is validated by the comparison of experimental with analytical fatigue assessment data of a data set from notched specimens and shows good agreement between the analytical and experimental fatigue life. The result of this work is a fully developed, analytical fatigue assessment method for non-welded and non-surface-treated components made of copper materials. The developed adjustments are formulated in such a way that they enable the extension of the FKM Guideline in its upcoming eighth edition to include copper and copper alloys

Semantisch valide Integration von Entwicklungsprozessen und Toolketten

Um konkurrenzfähig zu sein, müssen softwareentwickelnde Organisationen flexibel auf die Markbedürfnisse und -anforderungen reagieren, innovative Produkte produzieren und dabei aber auch Herausforderungen wie Qualitätsziele, Kosten- und Zeitvorgaben nicht vernachlässigen. Software wird dadurch immer komplexer. Um diese genannten Ziele zu erreichen, führen Organisationen standardisierte Prozesse ein, die aus einzelnen Prozessschritten bestehen, um ihre Softwareentwicklungsprojekte jeweils nach einem gleichen Schema ablaufen zu lassen. Lassen sich nun Prozessschritte durch Programme und Anwendungen abbilden, sogenannte Tools, können u. a. weitere Kosten eingespart werden. Eine solche Abbildung von Prozessen durch Tools im Verbund mit Toolketten bringt allerdings auch Herausforderungen mit sich. Beispielsweise werden die vom Prozess vorgegebenen Abläufe und Qualitätsanforderungen an Arbeitsergebnisse (Artefakte) nicht zwangsläufig durch die Artefakterstellung durch Tools erfüllt. Die tatsächlich durch Tools erstellten Artefakte müssen nachträglich mit den Qualitätsanforderungen der Artefakte des Prozesses überprüft werden. Außerdem kann es passieren, dass bei der Modellierung von Prozess- und Toolketten jeweils zugehörige Instanzelemente aufeinander abgebildet werden, die von ihren Reihenfolgen gar nicht möglich sind. Ziel dieser Dissertation ist es aufgrund der dargestellten Probleme einen Integrationsansatz zu beschreiben, der Prozesse auf Toolketten in Softwareprojekten abbildet. Es soll dabei möglich sein einerseits auf Basis von Abbildungsrestriktionen (Constraints) zu überprüfen, ob ein Prozess valide mit einer Toolkette abgebildet ist. Andererseits soll ein Mechanismus etabliert werden, der kontrolliert, ob die strukturellen Anforderungen, die ein gemeinsam definierter Prozess vorgibt, von der Toolkette erfüllt werden. Des Weiteren sollen die tatsächlichen Ergebnisse der Tools auf inhaltliche Korrektheit, Semantik und Vollständigkeit überprüft werden. Als Grundlage für die Lösung wird zunächst ein gemeinsames Metamodell definiert. Mit diesem lässt sich sowohl die Toolebene als auch die Prozessebene mit ihren jeweils zugehörigen Elementen beschreiben und mit Hilfe der Abbildungsebene verbinden. Dies geschieht auf Basis der jeweiligen Artefaktflüsse, die in Anwendungsfällen, den PT-UseCases, miteinander verkettet werden. Die Abbildungsrestriktionen basieren u. a. auf Striktordnungen. Deshalb wird dieser Begriff in Bezug auf Prozesse, Toolketten und PT-UseCases eingeführt, bevor Restriktionen aufgeführt werden, die bei der Abbildung von Prozessen auf Toolketten immer gelten müssen. Projektergebnisse müssen geplant und gespeichert werden, genauso wie deren Struktur und Inhalt zu definierten Zeitpunkten überprüft werden muss. Diese Konzepte müssen ebenfalls im Metamodell hinterlegt sein. Die Messung des Fertigstellungsgrades geschieht mit Hilfe einer Hybriden Validierung – einem Verfahren zur automatisierten Prozess- und Toolkettenvalidierung – auf Basis der semantischen Beschreibung der Ergebnisse in den QualityGates. Dabei ermöglicht das Exemplarkonzept, dass die tatsächlich eingeplanten SOLL-Ergebnisexemplare den tatsächlichen Ergebnissen in der richtigen Version zugeordnet werden können. Einige Kernkonzepte dieser Arbeit wurden im Rahmen des Projekts TOPWATER implementiert. Anhand eines Anwendungsbeispiels werden diese Konzepte in der TOPWATER Applikation abschließend dargestellt und evaluiert.To remain competitive, software-developing organizations must respond flexibly to market needs and requirements, produce innovative products, and at the same time not neglect challenges such as quality objectives, cost constraints, and time constraints. As a result, software is becoming increasingly complex. To achieve these goals, organizations introduce standardized processes consisting of individual process steps to execute their software development projects according to a uniform scheme. If process steps can be represented by programs and applications, so-called tools, additional costs can, among other things, be reduced. However, such a mapping of processes to tools in conjunction with tool chains also introduces challenges. For example, the workflows and quality requirements for work products (artifacts) prescribed by the process are not necessarily fulfilled by artifact creation through tools. The artifacts produced by tools therefore must be checked retrospectively against the quality requirements of the process artifacts. Moreover, it may occur during the modeling of process and tool chains that corresponding instance elements are mapped to each other whose execution orders are not feasible. The goal of this dissertation is, based on the problems described, to present an integration approach that maps processes to tool chains in software projects. On the one hand, it should be possible to verify, based on mapping restrictions (constraints), whether a process is validly represented by a tool chain. On the other hand, a mechanism is to be established that checks whether the structural requirements defined by a jointly specified process are fulfilled by the tool chain. Furthermore, the actual results produced by the tools are to be examined regarding content correctness, semantics, and completeness. As a basis for the solution, a common metamodel is first defined. This metamodel allows both the tool level and the process level, together with their respective elements, to be described and linked via a mapping layer. This is accomplished based on the respective artifact flows, which are chained together in use cases, the so-called PT-UseCases. The mapping restrictions are based, among other aspects, on strict partial orders. Therefore, this concept is introduced with respect to processes, tool chains, and PT use cases before restrictions are specified that must always be satisfied when mapping processes to tool chains. Project results must be planned and stored, and their structure and content must be verified at defined points in time. These concepts must also be represented in the metamodel. The measurement of the degree of completion is carried out by means of a hybrid validation—a method for automated validation of processes and tool chains—based on the semantic description of the results in quality gates. In this context, the instance concept enables the planned target result instances to be associated with the actual results in the correct version. Some core concepts of this work were implemented within the framework of the TOPWATER project. Using an application example, these concepts are finally presented and evaluated in the TOPWATER application

Holz als Konstruktionswerkstoff: Festigkeitsberechnung am Beispiel von Fichtenholz unter Berücksichtigung der neutralen Faser bei Biegebeanspruchung

Die Nachhaltigkeit von Konstruktionswerkstoffen, insbesondere von Holz als nachwachsenden Rohstoff, gewinnt in der heutigen Forschung und Praxis zunehmend an Relevanz. Ein wichtiger Aspekt für die Schaffung von umweltfreundlichen und ressourcenschonenden Strukturen ist die Wahl von nachhaltigen Konstruktionsmaterialien. Aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften und Struktur, weist Holz als Konstruktionswerkstoff ökologische Vorteile auf und leistet einen wichtigen Beitrag zur CO2-Reduktion. [BmW21] Im Gegensatz zu traditionellen Konstruktionsmaterialien besitzt Holz ein komplexeres Materialverhalten unter Biegebelastung. Bei isotropen Materialien liegt die neutrale Faser dauerhaft im Schwerpunkt der Probe. Im Gegensatz dazu weisen anisotrope Materialien, wie es bei Vollholz der Fall ist, eine abweichende Dynamik auf. Nach Überschreitung der Proportionalitätsgrenze verlagert sich die neutrale Faser bei Vollholz in Richtung der Zugzone. Bei der Berechnung der Biegefestigkeit wird diese Verschiebung der neutralen Faser jedoch nicht berücksichtigt. Die gegenwärtigen Normen basieren auf der Annahme, dass sich die neutrale Faser oberhalb der Proportionalitätsgrenze weiterhin im Schwerpunkt der Probe befindet. Diese Annahme führt zu einem symmetrischen Spannungsverlauf in der Berechnung, der nicht den tatsächlichen Materialeigenschaften bei Biegebeanspruchungen entspricht und somit zu einer nicht realitätsgetreuen Spannungsannahme führt. In dieser Arbeit werden die Unterschiede zwischen dem 3-Punkt- und dem 4-Punkt-Biegeversuch hinsichtlich der Bestimmung des Biege-E-Moduls und der Biegefestigkeit analysiert. Dabei wird ebenso der Einfluss der Jahrringorientierung zur Lastrichtung berücksichtigt. Mithilfe der Digitalen Bildkorrelation (DIC) wird die Verschiebung der neutralen Faser visualisiert und analysiert. Die Zugrandfaserdehnungen werden sowohl mittels Dehnungsmessstreifen als auch durch die DIC erfasst. Um die maximale Dehnung beim Erreichen der Druckfestigkeit zu bestimmen, werden Druckversuche durchgeführt. Basierend auf den Ergebnissen der Versuchsdaten wird eine Software entwickelt, die als Berechnungsgrundlage für Vollholz bei Biegebelastung dient. Dieses Berechnungsmodell berücksichtigt die Verschiebung der neutralen Faser sowie die unterschiedlichen Zug- und Druckeigenschaften, um die Biegespannungen zu berechnen. Basierend auf dieser Grundlage wird es möglich, Konstruktionen effizienter auszulegen, insbesondere im Hinblick auf den Aspekt des Leichtbaus. Die Ergebnisse eines Berechnungsbeispieles zeigen, dass durch die Berücksichtigung der Verschiebung der neutralen Faser sowie der Zugrandfaser als maßgebendes Versagenskriterium bei der Bestimmung der Biegespannung eine bis zu 25 % geringere mechanische Ausnutzung der Festigkeit im Vergleich zu den nach DIN EN 1995-1-1 (Eurocode 5) ermittelten Bemessungswerten resultiert. Dies trägt zu einem verbesserten Verständnis des Biegeverhaltens von Vollholz bei und bildet die Grundlage für eine bedarfsgerechtere sowie materialeffizientere Auslegung von Holzkonstruktionen. [BmW21] BmWE. Bundesminesterium für Wirtschaft und Energie.Holz als CO2-Speicher. Techn. Ber. Okt. 2021. URL: https://www.dena.de/fileadmin/dena/Publikationen/PDFs/2022/Factsheet_Holz_Gebaeudeforum_Klimaneutral.pdf (besucht am 10.03.2023).The sustainability of construction materials, especially wood as a renewable raw material, is becoming increasingly relevant in today's research and practice. An important aspect for the creation of environmentally friendly and resource-saving structures is the choice of sustainable construction materials. Due to its specific properties and structure, wood as a construction material has ecological advantages and makes an important contribution to CO2 reduction. [BmW21] In contrast to traditional construction materials, wood has a more complex material behavior under bending load. In isotropic materials, the neutral fiber is permanently in the center of gravity of the sample. In contrast, anisotropic materials, as is the case with solid wood, exhibit deviating dynamics. Once the proportional limit is exceeded, the neutral fiber in solid wood shifts towards the tensile zone. However, this displacement of the neutral fiber is not taken into account when calculating the bending strength. The current standards are based on the assumption that the neutral fiber above the proportional limit is still located in the center of gravity of the sample. This assumption leads to a symmetrical stress curve in the calculation, which does not correspond to the actual material properties under bending stresses and therefore leads to a stress assumption that is not true to reality. This paper analyzes the differences between the 3-point and 4-point bending test with regard to the determination of the flexural modulus of elasticity and flexural strength. The influence of the annual ring orientation to the load direction is also taken into account. Digital image correlation (DIC) is used to visualize and analyse the displacement of the neutral fibre. The tensile edge fiber strains are recorded using both strain gauges and DIC. Compression tests are carried out to determine the maximum strain when the compressive strength is reached. Based on the results of the test data, software is developed that serves as a basis for calculating solid wood under bending load. This calculation model takes into account the displacement of the neutral fiber as well as the different tensile and compressive properties in order to calculate the bending stresses. On this basis, it is possible to design structures more efficiently, particularly with regard to lightweight construction. The results of a calculation example show that taking into account the displacement of the neutral fiber and the tensile edge fiber as the decisive failure criterion when determining the bending stress results in up to 25 % lower mechanical utilization of strength compared to the design values determined in accordance with DIN EN 1995-1-1 (Eurocode 5). This contributes to an improved understanding of the bending behavior of solid wood and forms the basis for a more needs-based and material-efficient design of timber structures. [BmW21] BmWE. Bundesminesterium für Wirtschaft und Energie.Holz als CO2-Speicher. Techn. Ber. Okt. 2021. URL: https://www.dena.de/fileadmin/dena/Publikationen/PDFs/2022/Factsheet_Holz_Gebaeudeforum_Klimaneutral.pdf (besucht am 10.03.2023)

Reconfigurable intelligent surfaces: design and application scenarios for next generation wireless backhauls

Der Fortschritt hin zu drahtlosen Kommunikationssystemen der sechsten Generation (6G) legt den Schwerpunkt auf intelligente, programmierbare Funkumgebungen, um dem exponentiellen Wachstum der Konnektivität gerecht zu werden. Rekonfigurierbare intelligente Oberflächen (RIS), bestehend aus Metasurface-Arrays aus passiven Einheitszellen mit einer Subwellenlänge, manipulieren elektromagnetische Wellen dynamisch durch programmierbare Reflexionsphasenverschiebungen. Dies ermöglicht Beamforming- Funktionen, die die Signalqualität verbessern, die Abdeckung erweitern und die Netzwerkausfallsicherheit sowie die Sicherheit der physikalischen Schicht erhöhen. Trotz dieser Vorteile steht der praktische Einsatz von RIS bei Millimeterwellenfrequenzen vor großen Herausforderungen. Die geringe Größe der Einheitszellen schränkt die Integration von Biasing-Netzwerken ein, ohne die Hochfrequenzleistung zu beeinträchtigen. Große RIS-Aperturen, die für drahtlose Backhaul-Verbindungen über große Entfernungen erforderlich sind, erhöhen die Komplexität und die Kosten der Herstellung. Darüber hinaus ist die individuelle Steuerung jeder einzelnen Zelle aus Kosten- und Komplexitätsgründen nicht realisierbar. Diese Arbeit konzentriert sich auf Sparse-RIS-Designs, bei denen Teilmengen von Zellen, die jeweils über eine integrierte Bias-Spannung verfügen, selektiv gesteuert werden, um ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Realisierbarkeit herzustellen. Ein Hardware-Demonstrator validiert diesen sparse Designansatz, indem er kompakte Zellen mit integrierter Bias-Spannung und Steuerung in den Vordergrund stellt. Die Forschung integriert umfassende Systemmodellierung, elektromagnetische Simulationen, Hardware-Design, Optimierungsalgorithmen und experimentelle Validierung. Die anfängliche Systemmodellierung geht von einer dichten Anordnung der Einheitszellen aus, um die Anforderungen an die Größe des RIS in realistischen und skalierten Szenarien zu bewerten und dabei Einschränkungen aufzudecken, die zu sparse Lösungen führen. Es wurde ein 28 GHz Sparse-RIS-Demonstrator mit einer 1-Bit-Architektur entwickelt: Jede Einheitszelle umfasst ein auf die Betriebsfrequenz abgestimmtes Resonanzantennenelement und ein auf einer PIN-Diode basierendes Biasing-Netzwerk, das die Reflexionsphase zwischen 0◦ und 180◦ umschaltet und so eine binäre Strahlformung ermöglicht. Ein neuartiges modulares Sparse-Tile-Design umfasst eine kompakte 2 × 2-Anordnung aktiv gesteuerter Einheitszellen in Kombination mit unstrukturierten Bereichen, wodurch die Anzahl der aktiven Einheitszellen im Vergleich zu den derzeitigen dichten RIS-Architekturen um 75% reduziert wird. Um unstrukturierte Bereiche zu berücksichtigen, werden vier Designansätze vorgeschlagen, um deren elektromagnetisches Verhalten zu bewerten und anzupassen, die Leistung aufrechtzuerhalten und die Integration des Biasing-Netzwerks zu erleichtern. Diese Sparse-Tile-geometrie reduziert die Komplexität und räumliche Einschränkungen und ermöglicht gleichzeitig eine flexible Strahlformung. Die Tiles werden über spezielle Controller-Boards gesteuert, was die Komplexität der Steuerung vereinfacht und die Reflexionsverstärkung verbessert. Das Biasing-Netzwerk wird über ein De-Embedding-Board charakterisiert, um das Verhalten der Komponenten unter räumlichen Einschränkungen zu quantifizieren. Fullwave-FEM-Simulationen und Messungen bestätigen die Resonanzfrequenz und die Strahlungsmuster einzelner Einheitszellen. Der RIS-Demonstrator ist in drahtlose Backhaul-Testumgebungen integriert und ermöglicht so programmierbares Beamforming und dynamische Steuerung. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das RIS die Sicherheit und Zuverlässigkeit des drahtlosen Backhaul erheblich verbessert, indem es die Resilienz gegen Störungen und Angriffe auf der physikalischen Ebene erhöht. Zusammenfassend lässt diese Arbeit umfassende Designrichtlinien festlegen, die die Größe des RIS, die Komplexität der Sparse-Steuerung und die Integration des Biasing- Netzwerks bei 28 GHz optimieren. Der praktische Sparse-RIS-Demonstrator validiert skalierbare, effiziente RIS-Anwendungen, die die Resilienz und Sicherheit von drahtlosen Backhaul-Verbindungen verbessern und die RIS-Technologie von der Theorie hin zu praktischen, skalierbaren 6G-Lösungen vorantreiben.Advancement toward sixth-generation (6G) wireless communication systems emphasizes intelligent, programmable radio environments to address exponential connectivity growth. Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS), consisting of metasurface arrays composed of passive, sub-wavelength unit cells, dynamically manipulate electromagnetic waves through programmable reflection phase shifts. This enables beamforming capabilities that enhance signal quality, extend coverage, and improve network resilience and physical-layer security. Despite these benefits, practical deployment of RIS at millimeter-wave frequencies faces key challenges. The small size of unit cells constrains integration of biasing networks without degrading radio-frequency performance. Large RIS apertures needed for long-distance wireless backhaul increase fabrication complexity and cost. Furthermore, individually controlling every unit cell is cost- and complexity-prohibitive. This thesis focuses on sparse RIS designs, where subsets of unit cells, each with integrated biasing, are selectively controlled to balance performance and feasibility. A hardware demonstrator validates this sparse design approach by emphasizing compact unit cells with integrated biasing and control. The research integrates comprehensive system modeling, electromagnetic simulations, hardware design, optimization algorithms, and experimental validation. Initial system modeling assumes dense unit cell deployment to assess RIS size requirements in realistic and scaled scenarios, revealing limitations that motivate sparse solutions. A 28 GHz sparse RIS demonstrator is developed featuring a 1-bit architecture: each unit cell includes a resonant antenna element tuned to the operation frequency and a PIN diode-based biasing network switching reflection phase between 0◦ and 180◦, enabling binary beamforming. A novel modular sparse tile design comprises a compact 2×2 array of actively controlled unit cells combined with unstructured regions, reducing active unit cells by 75% compared to state-of-the-art dense RIS architectures. To address unstructured areas, four design approaches are proposed to evaluate and tailor their electromagnetic behavior, maintain performance, and facilitate biasing network integration. This sparse tile geometry reduces complexity and spatial constraints while enabling flexible beamforming. The tiles are controlled via dedicated controller boards, simplifying control complexity and enhancing reflection gain. The biasing network is characterized via a de-embedding board to quantify component behavior under spatial constraints. Full-wave FEM simulations and measurements verify the resonant frequency and radiation patterns of individual unit cells. The RIS demonstrator is integrated into wireless backhaul testbeds, enabling programmable beamforming and dynamic control. Experimental results show that the RIS significantly improves wireless backhaul security and reliability by enhancing resilience against interference and physical-layer attacks. In conclusion, this thesis establishes comprehensive design guidelines optimizing RIS size, sparse control complexity, and biasing network integration at 28 GHz. The practical sparse RIS demonstrator validates scalable, efficient RIS applications that enhance the robustness and security of wireless backhaul links, advancing RIS technology from theory toward practical, scalable 6G solutions