Universität Stuttgart
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Item Open Access Strukturierte Modellierung von Affekt in Text(2020) Klinger, Roman; Padó, Sebastian (Prof. Dr.)Emotionen, Stimmungen und Meinungen sind Affektzustände, welche nicht direkt von einer Person bei anderen Personen beobachtet werden können und somit als „privat“ angesehen werden können. Um diese individuellen Gefühlsregungen und Ansichten dennoch zu erraten, sind wir in der alltäglichen Kommunikation gewohnt, Gesichtsausdrücke, Körperposen, Prosodie, und Redeinhalte zu interpretieren. Das Forschungsgebiet Affective Computing und die spezielleren Felder Emotionsanalyse und Sentimentanalyse entwickeln komputationelle Modelle, mit denen solche Abschätzungen automatisch möglich werden. Diese Habilitationsschrift fällt in den Bereich des Affective Computings und liefert in diesem Feld Beiträge zur Betrachtung und Modellierung von Sentiment und Emotion in textuellen Beschreibungen. Wir behandeln hier unter anderem Literatur, soziale Medien und Produktbeurteilungen. Um angemessene Modelle für die jeweiligen Phänomene zu finden, gehen wir jeweils so vor, dass wir ein Korpus als Basis nutzen oder erstellen und damit bereits Hypothesen über die Formulierung des Modells treffen. Diese Hypothesen können dann auf verschiedenen Wegen untersucht werden, erstens, durch eine Analyse der Übereinstimmung der Annotatorinnen, zweitens, durch eine Adjudikation der Annotatorinnen gefolgt von einer komputationellen Modellierung, und drittens, durch eine qualitative Analyse der problematischen Fälle. Wir diskutieren hier Sentiment und Emotion zunächst als Klassifikationsproblem. Für einige Fragestellungen ist dies allerdings nicht ausreichend, so dass wir strukturierte Modelle vorschlagen, welche auch Aspekte und Ursachen des jeweiligen Gefühls beziehungsweise der Meinung extrahieren. In Fällen der Emotion extrahieren wir zusätzlich Nennungen des Fühlenden. In einem weiteren Schritt werden die Verfahren so erweitert, dass sie auch auf Sprachen angewendet werden können, welche nicht über ausreichende annotierte Ressourcen verfügen. Die Beiträge der Habilitationsarbeit sind also verschiedene Ressourcen, für deren Erstellung auch zugrundeliegende Konzeptionsarbeit notwendig war. Wir tragen deutsche und englische Korpora für aspektbasierte Sentimentanalyse, Emotionsklassifikation und strukturierte Emotionsanalyse bei. Des Weiteren schlagen wir Modelle für die automatische Erkennung und Repräsentation von Sentiment, Emotion und verwandten Konzepten vor. Diese zeigen entweder bessere Ergebnisse, als bisherige Verfahren oder modellieren Phänomene erstmalig. Letzteres gilt insbesondere bei solchen Methoden, welche auf durch uns erstellte Korpora ermöglicht wurden. In den verschiedenen Ansätzen werden wiederkehrend Konzepte gemeinsam modelliert, sei es auf der Repräsentations- oder der Inferenzebene. Solche Verfahren, welche Entscheidungen im Kontext treffen, zeigen in unserer Arbeit durchgängig bessere Ergebnisse, als solche, welche Phänomene getrennt betrachten. Dies gilt sowohl für den Einsatz künstlicher neuronaler Netze, als auch für die Verwendung probabilistischer graphischer Modelle.Item Open Access On the computational modeling of micromechanical phenomena in solid materials(2013) Linder, Christian; Miehe, Christian (Prof. Dr.-Ing. habil.)This work aims to contribute to the research on the constitutive modeling of solid materials, by investigating three particular micromechanical phenomena on three different length scales. The first microscopic phenomenon to be considered on the macroscopic scale is the process of failure in solid materials. Its characteristic non-smoothness in the displacement field results in the need for sophisticated numerical techniques in case one aims to capture those failure zones in a discrete way. One of the few finite element based methods successfully applied to such challenging problems is the so called strong discontinuity approach, for which failure can be described within the individual finite elements. To avoid stress locking, a higher order approximation of the resulting strong discontinuities is developed in the first part of this work for both, purely mechanical as well as electromechanical coupled materials. A sophisticated crack propagation concept relying on a combination of the widely used global tracking algorithm and the computer graphics based marching cubes algorithm is employed to obtain realistic crack paths in three dimensional simulations. Secondly, materials with an inherent network microstructures such as elastomers, hydrogels, non-woven fabrics or biological tissues are considered. The development of advanced homogenization principles accounting for such microstructures is the main focus in the second part of this work to better understand the mechanical and time-dependent effects displayed by such soft materials. Finally, the incorporation of wave functions into finite element based electronic structure calculations at the microscopic scale aims to account for the fact that the properties of condensed matter as for example electric conductivity, magnetism as well as the mechanical response upon external excitations are determined by the electronic structure of a material.Item Open Access Computational and logical aspects of infinite monoids(2003) Lohrey, Markus; Diekert, Volker (Prof. Dr.)The present work contains a treatise of several computational and logical aspects of infinite monoids. The first chapter is devoted to the word problem for finitely generated monoids. In particular, the relationship between the the computational complexity of the word problem and the syntactical properties of monoid presentations is investigated. The second chapter studies Cayley-graphs of finitely generated monoids under a logical point of view. Cayley-graphs of groups play an important role in combinatorial group theory. We will study first-order and monadic second-order theories of Cayley-graphs for both groups and monoids. The third chapter deals with word equations over monoids. Using the graph product operation, which generalizes both the free and the direct product, we generalize the seminal decidability results of Makanin on free monoids and groups to larger classes of monoids.Item Open Access Microbial biostabilization in fine sediments(2022) Gerbersdorf, Sabine Ulrike; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)Microbial biostabilization has increasingly received attention over the last years due to its significance for the dynamics of fine sediments in fluvial and coastal systems with implications for ecology, economy and human-health. This habilitation thesis highlights the contributions of the applicant and her team to this multi-disciplinary research area and is based on eight core publications that are presented in seven chapters. First, the topic of biofilm and biostabilization is introduced and second, the materials and methods applied are presented before own research findings are discussed. To start with, the stabilization potential of heterotrophic bacterial assemblages has been emphasised as well as the adhesive properties of the protein moieties within the EPS (extracellular polymeric substances) that are more significant than previously thought. Furthermore, the engineering potential of estuarine prokaryotic and eukaryotic assemblages has been studied separately and combined to reveal the effective cooperation of mixed biofilm that resulted in highest substratum stabilization although the effects were not clearly synergistic (=more than additive). The significance of biostabilization could be evidenced as well for freshwaters where highest adhesive capacity and sediment stability occurred during spring. Microbial community composition differed accordingly to result in mechanically highly diverse biofilm. Moreover, the importance of two of the most influential abiotic conditions, light intensity and hydrodynamics, was shown for biofilm growth, species composition and functionality - here biostabilization. In order to test adhesive properties at the relevant mesoscale (mm-cm) but non-destructively and highly sensitive, MagPI (Magnetic Particle Induction) has been applied. The last chapter concerns technical aspects to further improve its performance while demonstrating the impact of material and geometry and the importance of both, magnetic field strength and field gradient for the physics of the MagPI approach.Item Open Access Rottweil - Untersuchungen zur Stadtbaugeschichte im Hochmittelalter(1970) Meckseper, Cord; Hanson, Harald (Prof.)Item Open Access Modeling the long-term behavior of structural timber for typical serviceclass-II-conditions in South-West Germany(2010) Schänzlin, Jörg; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)Creep deformation influences the serviceability limit state as well as the ultimate limit state of timber structures. In order to consider this time-dependent behavior, creep coefficients and rheological models have been developed by various researchers. Comparing the rheological models, quite different temporal deformations are evaluated for a duration of load of 50 ears. In order to find the model, which is most suitable to the situation in the region of Tübingen, South-West Germany, the existing deformations of several beams in roof structures in opened, protected but not heated buildings are measured. By loading the structure the elastic global stiffness of the particular element is determined. So creep coefficients can be evaluated, which should have been used by the engineer in order to get the existing deflection fter 50 years. Within the region of Tübingen, on average a creep coefficient of 2.23 was found based on these measurements. However, the standard deviation of 0.97 is quite large. For the numerical evaluation of the time-dependent behavior Toratti’s model is modified, so that it matches the measured deformations. This modified model is verified by an additional set of measurements in the region of Breisgau-Hochschwarzwald, where the influence of the snow on the creep coefficient has to be taken into account. However, the application of the modified model takes too much time due to the numerical solutions of the single time steps. By means of a case study, functions are fitted to the results of the models in order to develop “simple” functions for the determination of the creep coefficient with respect to the main influences. The creep deformation influences the ultimate limit state especially in composite structures or elements subjected to compression. For this reason, the influence of the increased creep strain is approximated for columns, in order to reach the same safety level as proposed in the current regulations in DIN 1052. Additionally, the design procedure for timber-concrete-composite structures is modified in order to consider the increased creep coefficients.Item Open Access Advanced methods for a sustainable sediment management of reservoirs(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2022) Haun, Stefan; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)As a result of an increasing demand on storing water, sustainable reservoir management will become more and more important in the future. Minimizing, or in the best case avoiding, the loss of storage due to sedimentation is a challenging task because each reservoir has unique boundary conditions. Hence, not every management strategy is suitable for a given reservoir. Due to the combination of state of the art measurement methods and hydro‐morphodynamic models, reservoir sedimentation can be better predicted in the future and the success of sediment management strategies can be assessed. The development of advanced measurement methods makes it possible to obtain data with a high accuracy, but also with a high spatial and temporal resolution. The combination of recent measurement approaches with reliable hydro‐morphodynamic numerical prediction models, enhances a highly accurate prediction and understanding of governing processes. This opens new possibilities for an objective selection of important parameters, essential spatial domains as well as for the temporal resolution of measurements. This will finally lead to more reliable predictions about the future of reservoirs that provide water for human life, health and wealth. The presented scientific work gives an overview of recent developments to investigate hydromorphological processes in reservoirs.Item Open Access Zielkonzeptionen und Erfolgsbewertung von Renaturierungsversuchen in nordwestdeutschen Niedermooren anhand vegetationskundlicher und ökologischer Kriterien(2000) Rosenthal, Gert; Kull, Ulrich (Prof. Dr.)Naturnahe Niedermoorökosysteme sind in Nordwestdeutschland stark gefährdet. Ursächlich sind die landwirtschaftliche Intensivierung und die Melioration ihrer Standorte. Ein wichtiges, aus übergeordneten Leitbildern der Umweltschonung und Nachhaltigkeit abzuleitendes Ziel ist die Regeneration dieser Moore. Dabei geht es um die Wiederherstellung ihrer Lebensraumfunktion und der Senken- und Speicherfunktion für Nährstoffe und Wasser. Zielprozesse sind die Vernässung, Nährstoffaushagerung, Nutzungsextensivierung, Reinitiierung der Torfbildung und die Rekolonisierung durch Zielpflanzenarten. Dazu werden zwei Zielkonzepte formuliert. Bei Zielkonzept 1 steht der Erhalt und die Entwicklung der Lebensraumfunktion, bei Zielkonzept 2 die Senken- und Speicherfunktion im Vordergrund. Als Leitbild dienen historische und aktuelle, naturnahe (Röhrichte, Großseggenrieder = Zielkonzept 2) und halbnatürliche (Feuchtwiesen, Kleinseggenrieder = Zielkonzept 1) Vegetationstypen, die zu Sukzessionsserien zusammengestellt werden. Es werden überprüfbare Naturschutzqualitätsziele formuliert. Als Zielindikatoren dienen Zielarten, die im Sukzessions- und Standortsgradienten unterschiedlich eingenischt sind. Zur Überprüfung der Renaturierungserfolge bei der Umsetzung der Zielkonzepte werden mehrjährige Versuchserien aus Niedermooren Nordwestdeutschlands und Hollands untersucht und anhand der Zielarten bewertet. Ökologische Standortsanalysen ergänzen die vegetationskundlich-floristische Bewertung. Trotz der (Teil-) Wiederherstellung der Standortsbedingungen sind die vegetationskundlich-floristischen Erfolge nach Versuchslaufzeiten von 5 bis 20 Jahren gering. Am positivsten sind dabei noch die Erfolge, die durch Nährstoffaushagerung erreicht werden. Am effektivsten wirkt dabei die mehrfache Mahd ohne Düngung. Mulchen ist auf Feuchtstandorten und unter den relativ ungünstigen Klimabedingungen Nordwestdeutschlands (z.B. gegenüber Südwestdeutschland) wenig aushagerungseffizient. Die Artenzahlen entwickeln sich negativ. Starke Vernässung und Brache führen zu Artenverlusten. Kritisch sind lange Überstauungen im Frühjahr, in Verbindung mit starker sommerlicher Abtrocknung. Hauptursache für diese ausgeprägte Wechselfeuchtigkeit ist die irreversible Reduzierung der Speicherfähigkeit der Torfe für Wasser. Die Nutzungsintensität darf, abhängig von der Ertragsleistung des Standortes eine bestimmte, minimale Frequenz nicht unterschreiten, da sich sonst hochwüchsige Rhizompflanzenarten durchsetzen, die die Lichtbedingungen für niedrigwüchsige Arten stark limitieren. Im Extremfall führt das Brachfallen von Feuchtgrünland zur Entwicklung von Röhrichten, Großseggenriedern und Hochstaudengesellschaften. Durch die Vernässung der Brachestandorte, ungünstiges Mikroklima und die Dominanz nährstoffkonservativer Arten reduziert sich die Stickstoffmineralisation in Brachen. Dadurch verbessern sich gleichzeitig die Bedingungen für die Torfbildung. Im zweiten Abschnitt werden die biologischen Rahmenbedingungen untersucht, die die Wiederansiedlung von Pflanzenarten bestimmen. Ausdauernde Sprosspopulationen in der Umgebungsvegetation und ausdauernde Samen im Boden ermöglichen eine Überdauerung ungünstiger Wachstumsphasen und können als Regenerationspotential genutzt werden. Die Wiederherstellungserfolge artenreicher Feuchtwiesen werden durch lange Samenausdauern unterstützt. Dabei wirken die Lagerungsbedingungen modifizierend auf die morphologisch-physiologisch vorgegebene Langlebigkeit der Samen: während die Samenbank bei Intensivnutzung innerhalb weniger Jahre verarmt, wird sie bei Brache über Jahrzehnte im Boden konserviert. Entsprechend erfolgreich ist der Versuch, Brachen durch Wiederaufnahme der Mahd in artenreiches Feuchtgrünland zu überführen. Die Fernausbreitung von Pflanzendiasporen im Raum ermöglicht die Überwindung der räumlichen Isolation von potentiellen Spenderpopulationen von Pflanzenarten und den zu regenerierenden Flächen. Entscheidend für den Ausbreitungserfolg ist das Vorhandensein von standortsspezifischen Ausbreitungsagentien. In Feuchtgebieten werden Diasporen in großer Zahl von Überschwemmungen an die für die Keimung und Etablierung geeigneten Feuchtstandorte transportiert. Die Wiederbesiedlung von artenverarmten Flächen wird dadurch stark gefördert. Da in Norddeutschland aber nur noch wenige Überschwemmungsgebiete verblieben sind, ist die tatsächliche Wirksamkeit dieses Ausbreitungsagens stark beschränkt. Alternative Renaturierungsverfahren, die die mangelnde Diasporenausbreitung z.B. durch künstliche Einbringung von Mähgut zu überwinden suchen, werden kritisch diskutiert. Abschließend wird eine Gesamtbewertung der Regenerationschancen unter verschiedenen Optionen und eine Prioritätensetzung vorgenommen. Welcher einzelne Regenerationsprozess am Ende den weiteren Fortgang des Gesamtprozesses limitiert, hängt davon ab, welcher den höchsten Zeitbedarf hat. Die Erkenntnis, dass die Diasporenverfügbarkeit oft der zeitlimitierende Faktor ist, erfordert die unbedingte Erhaltung der biotischen Restpotentiale. Renaturierungsmaßnahmen zur Umsetzung von Zielkonzept 1 sind überall dort sinnvoll, wo der Zielartenpool ausreichend groß ist, um mit Hilfe feuchtgebietstypischer Ausbreitungsvektoren die Wiederbesiedlung potentiell geeigneter Standorte zu ermöglichen. Die Umsetzung von Zielkonzept 2 ist in großflächig intensivierten und meliorierten Gebieten sinnvoll, wo die biotischen Potentiale halbnatürlicher Vegetationstypen fehlen. Die Großflächigkeit von Renaturierungsmaßnahmen fördert landschaftsweite und biotopübergreifende Prozesse, die ihrerseits die Regenerationsbemühungen unterstützen.Item Open Access Mikropolare Zweiphasenmodelle : Modellierung auf der Basis der Theorie Poröser Medien(2000) Diebels, Stefan; Ehlers, Wolfgang (Prof. Dr.)In der vorliegenden Arbeit wird eine Theorie zur Beschreibung von Mehrphasenmaterialien vorgestellt. Grundlage der Modellierung ist die Theorie Poröser Medien, die um Elemente der mikropolaren Theorie erweitert wird, um den Einfluß der Mikrostruktur erfassen zu können. Dazu werden für Mischungen aus einer beliebigen Anzahl von Konstituierenden die kinematischen Beziehungen einer finiten Theorie und die notwendigen Bilanzgleichungen diskutiert. Besondere Berücksichtigung kommt dabei den Erweiterungen aufgrund der vom Verschiebungsfeld unabhängigen Rotationen zu, die durch die mikropolare Erweiterung Eingang in die Theorie finden. Aus einer allgemeinen Bilanz können in einfacher Weise die Strukturen abgeleitet werden, die die Partialbilanzen der einzelnen Konstituierenden mit den Bilanzen der Mischung als Ganzes verknüpfen. Für ein Zweiphasenmodell bestehend aus einem elastischen porösen Festkörperskelett und einem viskosen Porenfluid wird dann durch die Auswertung der Clausius-Duhem-Ungleichung ein thermodynamisch konsistentes Modell formuliert. Dabei kommt der Aufstellung einer Evolutionsgleichung für die Volumenanteile besondere Bedeutung zu, da diese im Fall kompressiblen Materialverhaltens der Konstituierenden nicht aus kinematischen Überlegungen folgt. Schließlich wird das Modell konkretisiert. Für das Festkörperskelett wird eine Verzerrungsenergiefunktion angegeben, während anhand einer Dimensionsanalyse gezeigt wird, daß die Extraspannungen des Porenfluids gegenüber den Wechselwirkungskräften zwischen Fluid und Festkörper vernachlässigbar sind. Einige numerische Beispiele zeigen die Anwendbarkeit des Modells und demonstrieren den Einfluß der verschiedenen bei der Modellierung berücksichtigten Effekte.Item Open Access Weak or strong : on coupled problems in continuum mechanics(2010) Markert, Bernd; Ehlers, Wolfgang (Prof. Dr.-Ing.)The present work aims at giving a concise introduction to the vast field of coupled problems, particularly to those of importance in engineering and physics. Therefore, the common terminology and an appropriate classification of coupled equation systems is presented accompanied by some mathematical and computational issues. Attention is focused on volumetrically coupled multi-field formulations arising from the continuum mechanical treatment of multi-physics problems, but also geometrically coupled problems are addressed. Based on actual problems in the areas of poroelastodynamics, continuum biomechanics, and fluid-saturated porous media in general both the theoretical modeling by means of coupled continuum equations as well as the efficient numerical solution in the context of the finite element method (FEM) are presented and discussed in a problem-oriented fashion.