Generic Finite Element Model for Mechanically Consistent Scaling of Composite Beam-to-column Joint with Welded Connection

To study the behaviour of beam-to-column composite connection more sophisticated finite element models is required, since component model has some severe limitations. In this research a generic finite element model for composite beam-to-column joint with welded connections is developed using current state of the art local modelling. Applying mechanically consistent scaling method, it can provide the constitutive relationship for a plane rectangular macro element with beam-type boundaries. Then, this defined macro element, which preserves local behaviour and allows for the transfer of five independent states between local and global models, can be implemented in high-accuracy frame analysis with the possibility of limit state checks. In order that macro element for scaling method can be used in practical manner, a generic geometry program as a new idea proposed in this study is also developed for this finite element model. With generic programming a set of global geometric variables can be input to generate a specific instance of the connection without much effort. The proposed finite element model generated by this generic programming is validated against testing results from University of Kaiserslautern. Finally, two illustrative examples for applying this macro element approach are presented. In the first example how to obtain the constitutive relationships of macro element is demonstrated. With certain assumptions for typical composite frame the constitutive relationships can be represented by bilinear laws for the macro bending and shear states that are then coupled by a two-dimensional surface law with yield and failure surfaces. In second example a scaling concept that combines sophisticated local models with a frame analysis using a macro element approach is presented as a practical application of this numerical model.

Genetic Programming meets Model-Driven Development

Genetic programming is known to provide good solutions for many problems like the evolution of network protocols and distributed algorithms. In such cases it is most likely a hardwired module of a design framework that assists the engineer to optimize specific aspects of the system to be developed. It provides its results in a fixed format through an internal interface. In this paper we show how the utility of genetic programming can be increased remarkably by isolating it as a component and integrating it into the model-driven software development process. Our genetic programming framework produces XMI-encoded UML models that can easily be loaded into widely available modeling tools which in turn posses code generation as well as additional analysis and test capabilities. We use the evolution of a distributed election algorithm as an example to illustrate how genetic programming can be combined with model-driven development. This example clearly illustrates the advantages of our approach – the generation of source code in different programming languages.

Comprehensive evaluation of the WaterGAP3 model across climatic, physiographic, and anthropogenic gradients

In den letzten Jahrzehnten haben sich makroskalige hydrologische Modelle als wichtige Werkzeuge etabliert um den Zustand der globalen erneuerbaren Süßwasserressourcen flächendeckend bewerten können. Sie werden heutzutage eingesetzt um eine große Bandbreite wissenschaftlicher Fragestellungen zu beantworten, insbesondere hinsichtlich der Auswirkungen anthropogener Einflüsse auf das natürliche Abflussregime oder der Auswirkungen des globalen Wandels und Klimawandels auf die Ressource Wasser. Diese Auswirkungen lassen sich durch verschiedenste wasserbezogene Kenngrößen abschätzen, wie z.B. erneuerbare (Grund-)Wasserressourcen, Hochwasserrisiko, Dürren, Wasserstress und Wasserknappheit. Die Weiterentwicklung makroskaliger hydrologischer Modelle wurde insbesondere durch stetig steigende Rechenkapazitäten begünstigt, aber auch durch die zunehmende Verfügbarkeit von Fernerkundungsdaten und abgeleiteten Datenprodukten, die genutzt werden können, um die Modelle anzutreiben und zu verbessern. Wie alle makro- bis globalskaligen Modellierungsansätze unterliegen makroskalige hydrologische Simulationen erheblichen Unsicherheiten, die (i) auf räumliche Eingabedatensätze, wie z.B. meteorologische Größen oder Landoberflächenparameter, und (ii) im Besonderen auf die (oftmals) vereinfachte Abbildung physikalischer Prozesse im Modell zurückzuführen sind. Angesichts dieser Unsicherheiten ist es unabdingbar, die tatsächliche Anwendbarkeit und Prognosefähigkeit der Modelle unter diversen klimatischen und physiographischen Bedingungen zu überprüfen. Bisher wurden die meisten Evaluierungsstudien jedoch lediglich in wenigen, großen Flusseinzugsgebieten durchgeführt oder fokussierten auf kontinentalen Wasserflüssen. Dies steht im Kontrast zu vielen Anwendungsstudien, deren Analysen und Aussagen auf simulierten Zustandsgrößen und Flüssen in deutlich feinerer räumlicher Auflösung (Gridzelle) basieren. Den Kern der Dissertation bildet eine umfangreiche Evaluierung der generellen Anwendbarkeit des globalen hydrologischen Modells WaterGAP3 für die Simulation von monatlichen Abflussregimen und Niedrig- und Hochwasserabflüssen auf Basis von mehr als 2400 Durchflussmessreihen für den Zeitraum 1958-2010. Die betrachteten Flusseinzugsgebiete repräsentieren ein breites Spektrum klimatischer und physiographischer Bedingungen, die Einzugsgebietsgröße reicht von 3000 bis zu mehreren Millionen Quadratkilometern. Die Modellevaluierung hat dabei zwei Zielsetzungen: Erstens soll die erzielte Modellgüte als Bezugswert dienen gegen den jegliche weiteren Modellverbesserungen verglichen werden können. Zweitens soll eine Methode zur diagnostischen Modellevaluierung entwickelt und getestet werden, die eindeutige Ansatzpunkte zur Modellverbesserung aufzeigen soll, falls die Modellgüte unzureichend ist. Hierzu werden komplementäre Modellgütemaße mit neun Gebietsparametern verknüpft, welche die klimatischen und physiographischen Bedingungen sowie den Grad anthropogener Beeinflussung in den einzelnen Einzugsgebieten quantifizieren. WaterGAP3 erzielt eine mittlere bis hohe Modellgüte für die Simulation von sowohl monatlichen Abflussregimen als auch Niedrig- und Hochwasserabflüssen, jedoch sind für alle betrachteten Modellgütemaße deutliche räumliche Muster erkennbar. Von den neun betrachteten Gebietseigenschaften weisen insbesondere der Ariditätsgrad und die mittlere Gebietsneigung einen starken Einfluss auf die Modellgüte auf. Das Modell tendiert zur Überschätzung des jährlichen Abflussvolumens mit steigender Aridität. Dieses Verhalten ist charakteristisch für makroskalige hydrologische Modelle und ist auf die unzureichende Abbildung von Prozessen der Abflussbildung und –konzentration in wasserlimitierten Gebieten zurückzuführen. In steilen Einzugsgebieten wird eine geringe Modellgüte hinsichtlich der Abbildung von monatlicher Abflussvariabilität und zeitlicher Dynamik festgestellt, die sich auch in der Güte der Niedrig- und Hochwassersimulation widerspiegelt. Diese Beobachtung weist auf notwendige Modellverbesserungen in Bezug auf (i) die Aufteilung des Gesamtabflusses in schnelle und verzögerte Abflusskomponente und (ii) die Berechnung der Fließgeschwindigkeit im Gerinne hin. Die im Rahmen der Dissertation entwickelte Methode zur diagnostischen Modellevaluierung durch Verknüpfung von komplementären Modellgütemaßen und Einzugsgebietseigenschaften wurde exemplarisch am Beispiel des WaterGAP3 Modells erprobt. Die Methode hat sich als effizientes Werkzeug erwiesen, um räumliche Muster in der Modellgüte zu erklären und Defizite in der Modellstruktur zu identifizieren. Die entwickelte Methode ist generell für jedes hydrologische Modell anwendbar. Sie ist jedoch insbesondere für makroskalige Modelle und multi-basin Studien relevant, da sie das Fehlen von feldspezifischen Kenntnissen und gezielten Messkampagnen, auf die üblicherweise in der Einzugsgebietsmodellierung zurückgegriffen wird, teilweise ausgleichen kann.

Cognitive Component Skills of Reading Comprehension in Developing Readers

Die Fähigkeit, geschriebene Texte zu verstehen, d.h. eine kohärente mentale Repräsentation von Textinhalten zu erstellen, ist eine notwendige Voraussetzung für eine erfolgreiche schulische und außerschulische Entwicklung. Es ist daher ein zentrales Anliegen des Bildungssystems Leseschwierigkeiten frühzeitig zu diagnostizieren und mithilfe zielgerichteter Interventionsprogramme zu fördern. Dies erfordert ein umfassendes Wissen über die kognitiven Teilprozesse, die dem Leseverstehen zugrunde liegen, ihre Zusammenhänge und ihre Entwicklung. Die vorliegende Dissertation soll zu einem umfassenden Verständnis über das Leseverstehen beitragen, indem sie eine Auswahl offener Fragestellungen experimentell untersucht. Studie 1 untersucht inwieweit phonologische Rekodier- und orthographische Dekodierfertigkeiten zum Satz- und Textverstehen beitragen und wie sich beide Fertigkeiten bei deutschen Grundschüler(inne)n von der 2. bis zur 4. Klasse entwickeln. Die Ergebnisse legen nahe, dass beide Fertigkeiten signifikante und eigenständige Beiträge zum Leseverstehen leisten und dass sich ihr relativer Beitrag über die Klassenstufen hinweg nicht verändert. Darüber hinaus zeigt sich, dass bereits deutsche Zweitklässler(innen) den Großteil geschriebener Wörter in altersgerechten Texten über orthographische Vergleichsprozesse erkennen. Nichtsdestotrotz nutzen deutsche Grundschulkinder offenbar kontinuierlich phonologische Informationen, um die visuelle Worterkennung zu optimieren. Studie 2 erweitert die bisherige empirische Forschung zu einem der bekanntesten Modelle des Leseverstehens—der Simple View of Reading (SVR, Gough & Tunmer, 1986). Die Studie überprüft die SVR (Reading comprehension = Decoding x Comprehension) mithilfe optimierter und methodisch stringenter Maße der Modellkonstituenten und überprüft ihre Generalisierbarkeit für deutsche Dritt- und Viertklässler(innen). Studie 2 zeigt, dass die SVR einer methodisch stringenten Überprüfung nicht standhält und nicht ohne Weiteres auf deutsche Dritt- und Viertklässler(innen) generalisiert werden kann. Es wurden nur schwache Belege für eine multiplikative Verknüpfung von Dekodier- (D) und Hörverstehensfertigkeiten (C) gefunden. Der Umstand, dass ein beachtlicher Teil der Varianz im Leseverstehen (R) nicht durch D und C aufgeklärt werden konnte, deutet darauf hin, dass das Modell nicht vollständig ist und ggf. durch weitere Komponenten ergänzt werden muss. Studie 3 untersucht die Verarbeitung positiv-kausaler und negativ-kausaler Kohärenzrelationen bei deutschen Erst- bis Viertklässler(inne)n und Erwachsenen im Lese- und Hörverstehen. In Übereinstimmung mit dem Cumulative Cognitive Complexity-Ansatz (Evers-Vermeul & Sanders, 2009; Spooren & Sanders, 2008) zeigt Studie 3, dass die Verarbeitung negativ-kausaler Kohärenzrelationen und Konnektoren kognitiv aufwändiger ist als die Verarbeitung positiv-kausaler Relationen. Darüber hinaus entwickelt sich das Verstehen beider Kohärenzrelationen noch über die Grundschulzeit hinweg und ist für negativ-kausale Relationen am Ende der vierten Klasse noch nicht abgeschlossen. Studie 4 zeigt und diskutiert die Nützlichkeit prozess-orientierter Lesetests wie ProDi- L (Richter et al., in press), die individuelle Unterschiede in den kognitiven Teilfertigkeiten des Leseverstehens selektiv erfassen. Hierzu wird exemplarisch die Konstruktvalidität des ProDi-L-Subtests ‚Syntaktische Integration’ nachgewiesen. Mittels explanatorischer Item- Repsonse-Modelle wird gezeigt, dass der Test Fertigkeiten syntaktischer Integration separat erfasst und Kinder mit defizitären syntaktischen Fertigkeiten identifizieren kann. Die berichteten Befunde tragen zu einem umfassenden Verständnis der kognitiven Teilfertigkeiten des Leseverstehens bei, das für eine optimale Gestaltung des Leseunterrichts, für das Erstellen von Lernmaterialien, Leseinstruktionen und Lehrbüchern unerlässlich ist. Darüber hinaus stellt es die Grundlage für eine sinnvolle Diagnose individueller Leseschwierigkeiten und für die Konzeption adaptiver und zielgerichteter Interventionsprogramme zur Förderung des Leseverstehens bei schwachen Leser(inne)n dar.