Pore-space controlled hardening model in plasticity of porous materials: application to the analysis of indentation experiments

Based on a multi-scale approach comprising a multi-scale material model and a respective finite-element (FE) analysis tool, the indentation response of porous materials is examined in this paper. The considered material is assumed to consist of a homogeneous Drucker-Prager-type matrix-phase and spherical pores. Non-linear homogenization is employed to derive both a strength criterion and a hardening rule at the macroscopic scale without the need of any additional non-physical material parameters. Hereby, the underlying macroscopic hardening is exclusively controlled by the evolution of the porespace during loading. The material model is implemented in a FE program within the framework of elastoplasticity. The so-obtained analysis tool is applied to the analysis of indentation experiments commonly used for characterization and performance-based optimization of materials

Staying or Leaving?

Im Bezirk Landeck im Oberen-Inntal in Tirol finden wir heute die Spuren großer Migration. In dieser Diplomarbeit dient der Bezirk Landeck stellvertretend als Beispiel Tirols da es in dieser Gegend nicht nur saisonale Arbeitermigration und Schwabenkinder gab sondern eben auch eine große Zahl an Auswanderern die den Bezirk und ihre Heimat für ein besseres Leben, meist Übersee, verließen. Die Daten dieser Auswanderer wurden zusammen getragen und in einer neuen Online-Datenbank im Schloss Museum Landeck gespeichert. Dieses Material zusammen mit den gefundenen Daten in der Ellis Island Database in New York hilft uns nicht nur die Art und Dauer der Migration zu recherchieren, sondern auch den Einfluss der Tiroler in America darzustellen. Diese Arbeit stellt jene Bewohner des Bezirkes Landeck in den Mittelpunkt die sich entscheiden mussten ob sie 'Bleiben oder Gehen?' sollten. Um diese Frage zu beantworten werden nicht nur politische und geosoziale Aspekte aufgegriffen sondern auch die Einzelschicksale hervorgehoben. Die Analyse der Daten wird im Lichte der Cultural Memory Studies untersucht, welche uns helfen wird die Unterschiede zwischen Geschichte und Erinnerung zu verstehen.When the population numbers in the Alps reached their peak and the soil could no longer support its people a movement towards the surrounding countries set in. Landeck County presents itself as an exemplary case, since not only the seasonal working migration had its peak in this area, but also temporary and final emigration. Documents, narratives, and other information by emigrants have been collected and stored in the archives of the museum in Landeck. The extensive source material available at these archives of the museum in Landeck combined with the data from the Ellis Island archives allows us to see three immigration waves in the German speaking countries of Europe around the turn of the century. This thesis focuses on the people of Landeck County who had to decide, whether they should be “staying or leaving”? Trying to answer this question we will find not only the historic, geographic and political context of Landeck County is essential background-knowledge, but also the individual stories. The three main questions concerning these emigrants answered in this paper are: Why did people leave Landeck? Where did they go? What happened to them on their way and after they finally arrived? Further investigation into the courses of their emigration and subsequent U.S. immigration will be answered in a cultural memory studies context, a theoretic approach which will help us to understand the interaction between historic artifacts, such as these emigration stories, and our cultural mind

Characterization of land cover-specific fire regimes in the Brazilian Amazon

Humans profoundly alter fire regimes both directly, by introducing changes in fuel dynamics and ignitions, and indirectly, by increasing the release of greenhouse gases and aerosols from fires, which can alter regional climate and, as a consequence, modify fuel moisture and availability. Interactions between vegetation dynamics, regional climate change and anthropogenic pressure lead to high heterogeneity in the spatio-temporal fire distribution. We use the new FireTracks Scientific Dataset that tracks the spatio-temporal development of individual fires to analyse fire regimes in the Brazilian Legal Amazon over the period 2002–2020. We analyse fire size, duration, intensity and rate of spread in six different land-cover classes. Particular combinations of fire features determine the dominant and characteristic fire regime in each of them. We find that fires in savannas and evergreen forests burn the largest areas and are the most long lasting. Forest fires have the potential for burning at the highest intensities, whereas higher rates of spread are found in savannas. Woody savanna and grassland fires are usually affected by smaller, shorter, less-intense fires compared with fires in evergreen forest and savanna. However, fires in grasslands can burn at rates of spread as high as savanna fires as a result of the easily flammable fuel. We observe that fires in deciduous forests and croplands are generally small, short and low intense, although the latter can sustain high rates of spread due to the dry post-harvest residuals. The reconstructed fire regimes for each land cover can be used to improve the simulated fire characteristics by models and, thus, future projections

General scaling of maximum degree of synchronization in noisy complex networks

Peer reviewedPublisher PD

The Kuramoto model in complex networks

181 pages, 48 figures. In Press, Accepted Manuscript, Physics Reports 2015 Acknowledgments We are indebted with B. Sonnenschein, E. R. dos Santos, P. Schultz, C. Grabow, M. Ha and C. Choi for insightful and helpful discussions. T.P. acknowledges FAPESP (No. 2012/22160-7 and No. 2015/02486-3) and IRTG 1740. P.J. thanks founding from the China Scholarship Council (CSC). F.A.R. acknowledges CNPq (Grant No. 305940/2010-4) and FAPESP (Grants No. 2011/50761-2 and No. 2013/26416-9) for financial support. J.K. would like to acknowledge IRTG 1740 (DFG and FAPESP).Peer reviewedPreprin

Deep graphs

Netzwerk Theorie hat sich als besonders zweckdienlich in der Darstellung von Systemen herausgestellt. Jedoch fehlen in der Netzwerkdarstellung von Systemen noch immer essentielle Bausteine um diese generell zur Datenanalyse heranzuziehen zu können. Allen voran fehlt es an einer expliziten Assoziation von Informationen mit den Knoten und Kanten eines Netzwerks und einer schlüssigen Darstellung von Gruppen von Knoten und deren Relationen auf verschiedenen Skalen. Das Hauptaugenmerk dieser Dissertation ist der Einbindung dieser Bausteine in eine verallgemeinerte Rahmenstruktur gewidmet. Diese Rahmenstruktur - Deep Graphs - ist in der Lage als Bindeglied zwischen einer vereinheitlichten und generalisierten Netzwerkdarstellung von Systemen und den Methoden der Statistik und des maschinellen Lernens zu fungieren (Software: https://github.com/deepgraph/deepgraph). Anwendungen meiner Rahmenstruktur werden dargestellt. Ich konstruiere einen Regenfall Deep Graph und analysiere raumzeitliche Extrem-Regenfallcluster. Auf Grundlage dieses Graphs liefere ich einen statistischen Beleg, dass die Größenverteilung dieser Cluster einem exponentiell gedämpften Potenzgesetz folgt. Mit Hilfe eines generativen Sturm-Modells zeige ich, dass die exponentielle Dämpfung der beobachteten Größenverteilung durch das Vorhandensein von Landmasse auf unserem Planeten zustande kommen könnte. Dann verknüpfe ich zwei hochauflösende Satelliten-Produkte um raumzeitliche Cluster von Feuer-betroffenen Gebieten im brasilianischen Amazonas zu identifizieren und deren Brandeigenschaften zu charakterisieren. Zuletzt untersuche ich den Einfluss von weißem Rauschen und der globalen Kopplungsstärke auf die maximale Synchronisierbarkeit von Oszillatoren-Netzwerken für eine Vielzahl von Oszillatoren-Modellen, welche durch ein breites Spektrum an Netzwerktopologien gekoppelt sind. Ich finde ein allgemeingültiges sigmoidales Skalierungsverhalten, und validiere dieses mit einem geeignetem Regressionsmodell.Network theory has proven to be a powerful instrument in the representation of complex systems. Yet, even in its latest and most general form (i.e., multilayer networks), it is still lacking essential qualities to serve as a general data analysis framework. These include, most importantly, an explicit association of information with the nodes and edges of a network, and a conclusive representation of groups of nodes and their respective interrelations on different scales. The implementation of these qualities into a generalized framework is the primary contribution of this dissertation. By doing so, I show how my framework - deep graphs - is capable of acting as a go-between, joining a unified and generalized network representation of systems with the tools and methods developed in statistics and machine learning. A software package accompanies this dissertation, see https://github.com/deepgraph/deepgraph. A number of applications of my framework are demonstrated. I construct a rainfall deep graph and conduct an analysis of spatio-temporal extreme rainfall clusters. Based on the constructed deep graph, I provide statistical evidence that the size distribution of these clusters is best approximated by an exponentially truncated powerlaw. By means of a generative storm-track model, I argue that the exponential truncation of the observed distribution could be caused by the presence of land masses. Then, I combine two high-resolution satellite products to identify spatio-temporal clusters of fire-affected areas in the Brazilian Amazon and characterize their land use specific burning conditions. Finally, I investigate the effects of white noise and global coupling strength on the maximum degree of synchronization for a variety of oscillator models coupled according to a broad spectrum of network topologies. I find a general sigmoidal scaling and validate it with a suitable regression model

Continuum micromechanics-based determination of effective properties of elastoplastic matrix-inclusion materials : application within the finite element analysis of indentation and impact problems

Sowohl natürliche Materialien (z.B. Holz, Knochen, Boden, etc.) als auch technische Materialien (z.B. Beton, Schäume, Composite-Materialien, etc) weisen Inhomogenitäten wie z.B. Poren und Einschlüsse auf. In Herstellungsprozessen von Materialien wird durch Begünstigung oder Behinderung der Ausbildung dieser Inhomogenitäten versucht, die resultierenden Eigenschaften gezielt zu beeinflussen. Dabei ist das Wissen darüber, wie sich Materialinhomogenitäten auf das effektive Materialverhalten auswirken, Grundlage für ein zielorientiertes Vorgehen. Experimentelle Untersuchungen sind hierfür unumgänglich - jedoch nicht immer ausreichend. Theoretische und simulationsbasierte Ansätze ermöglichen einen zusätzlichen Informationsgewinn und tragen zum Verständnis von Zusammenhängen bei. Ziel dieser Dissertation ist es mithilfe der Kontinuummikromechanik und numerischer Simulationen (Finite Elemente Methode) einen Beitrag zum Stand der Wissenschaft über den Einfluss von Materialinhomogenitäten auf die effektiven mechanischen Materialeigenschaften zu leisten. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem nichtlinearen Materialverhalten im Rahmen der Plastizitätstheorie. In Hinblick darauf wird im Rahmen dieser Dissertation eine Weiterentwicklung von Methoden der nichtlinearen Kontinuummikromechanik verfolgt. Numerische Simulationen der Belastung von Materialproben (repräsentative Volumenelemente) dienen zur Validierung dieser analytischen Ansätze und ermöglichen zusätzliche Erkenntnisse. Im Speziellen werden folgende Themen behandelt: Im ersten Teil wird eine Methode zur Bestimmung der effektiven Fließfläche von Matrix-Einschlussmaterialien präsentiert, welche die Berücksichtigung von leeren und flüssigkeitsgefüllten Poren sowie starren Einschlüssen ermöglicht. Die zulässigen Spannungszustände im Matrixmaterial sind dabei durch Fließflächen von zweiter Ordnung definiert (z.B. Mises, Mises-Schleicher, Drucker-Prager und elliptische Fließflächen). Darauf folgend wird der Einfluss der Einschlussform auf die effektiven Materialeigenschaften behandelt. Hierfür wird eine semi-analytische Methode zur Berücksichtigung beliebiger Morphologien vorgestellt, die anschließend auf spezielle Formen (Rotationsellipsoide, Tetraeder und Oktaeder mit gekrümmten Flächen) angewandt wird, um deren charakteristische Auswirkungen gegenüber zu stellen. Thema des dritten Teiles ist das effektive Materialverhalten nach Einsetzen von plastischen Verzerrungen. Dies umfasst einerseits Gesetzmäßigkeiten bezüglich des Fortschreitens der plastischen Verzerrungen ("effektives Fließgesetz") und andererseits die Verfestigung des Materials im Zuge der Verzerrungen. Dazu werden drei Modelle zur Abbildung des Materialverhaltens vorgestellt: (i) für den Fall eines verfestigenden Matrixmaterials, (ii) für die Berücksichtigung des Einflusses der Kompaktion (geometrische Verfestigung) und (iii) für den Fall eines quasi-spröden Matrixmaterials. Die in diesen drei Teilen entwickelten Modelle werden anschließend in numerische Simulationen zur Untersuchung des Verhaltens von porösen Materialien in Indentationsversuchen und unter Impaktbeanspruchung angewandt. Im Zuge dessen werden die Auswirkungen der Variation einzelner Materialparameter diskutiert.Material inhomogeneities such as pores and particles are common constituents of natural materials (e.g., wood, bone, soil, etc.) as well as engineering materials (e.g., concrete, foam materials, different kinds of composites, etc.). In case of the latter, material inhomogeneities may be either provoked on purpose or aimed to be prevented in the production process in order to influence the effective material properties. In this context, knowledge of the potential effects of inhomogeneities is of crucial importance. Substantial experimental studies dedicated to this matter are indispensable - though, sometimes not sufficient for a purposeful development process of materials, as theoretical and computational methods may provide useful additional information. This thesis shall contribute to the state of knowledge on the influence of material inhomogeneities on the effective mechanical material properties using the method of continuum micromechanics on the one hand and numerical simulations (finite element method) on the other hand. The main focus is on the nonlinear behavior of material constituents described in the framework of elastoplasticity. Accordingly, this thesis provides approaches for the advancement of continuum micromechanics in the context of nonlinear behavior. Respective numerical simulations of the loading of material samples (representative elementary volumes) serve as validation of the presented models and give additional insights. The subjects treated in specific are the following: First, a homogenization approach for the determination of an effective yield surface of a matrix-inclusion material is presented. It allows the consideration of empty pores, fluid-filled pores and rigid particles as inclusions and matrix materials whose domains of admissible stress states are defined by second-order yield surfaces comprising, e.g., Mises, Mises-Schleicher, Drucker-Prager and ellipsoidal yield surfaces. Subsequently, the influence of the inclusion shape is addressed. After presenting a semi-analytical methodology allowing the incorporation of arbitrary inclusion shapes into the framework of the aforementioned homogenization scheme, the effect of some selected morphologies is regarded more closely (spheroids, and tetrahedra and octahedra with curved surfaces). In the third part, the post-yield behavior of elastoplastic matrix-inclusion materials is treated, including the effective flow rule as well as the effective hardening behavior. Three models addressing different problems are proposed: (i) for obtaining the effective post-yield behavior in case of strain-hardening matrix materials, (ii) for estimating the contribution of compaction to the effective hardening behavior (geometric hardening), and (iii) the post-yield behavior in case of quasi-brittle matrix material behavior. The developments presented in the aforelisted three parts are then applied within the numerical analysis of indentation experiments and of porous materials subjected to impact loading. In both cases the significance of the involved material parameters is discussed.Roland TraxlZusammenfassung in deutscher SpracheUniversität Innsbruck, Dissertation, 2016OeBB(VLID)138954

Special Needs of Boys and the Impact of Mixed-Gender Teams

Theoretically based on early pedagogical and psychoanalytic research findings, the Austrian W-INN-study aims at confirming research questions as well as finding possible new hypotheses about men’s influence on children. The pilot study focuses on different research questions: What similarities and/or differences can be found in interactions with children depending on childcare staff composition (mixed gender vs. female)? What are childrens’ (re-)actions in these groups/towards staff? Are there possible ‘compensatory effects’ of male childcarers for children who don’t have much contact with fathers and/or men in general? Our paper will present the main results of the research project and its practical implications.Keywords: early childhood education – child-teacher-relationship – mixedgender staff – video observation – mixed-method-desig