Essays on numerically efficient inference in nonlinear and non-Gaussian state space models, and commodity market analysis.

The first two articles build procedures to simulate vector of univariate states and estimate parameters in nonlinear and non Gaussian state space models. We propose state space speci fications that offer more flexibility in modeling dynamic relationship with latent variables. Our procedures are extension of the HESSIAN method of McCausland[2012]. Thus, they use approximation of the posterior density of the vector of states that allow to : simulate directly from the state vector posterior distribution, to simulate the states vector in one bloc and jointly with the vector of parameters, and to not allow data augmentation. These properties allow to build posterior simulators with very high relative numerical efficiency. Generic, they open a new path in nonlinear and non Gaussian state space analysis with limited contribution of the modeler. The third article is an essay in commodity market analysis. Private firms coexist with farmers' cooperatives in commodity markets in subsaharan african countries. The private firms have the biggest market share while some theoretical models predict they disappearance once confronted to farmers cooperatives. Elsewhere, some empirical studies and observations link cooperative incidence in a region with interpersonal trust, and thus to farmers trust toward cooperatives. We propose a model that sustain these empirical facts. A model where the cooperative reputation is a leading factor determining the market equilibrium of a price competition between a cooperative and a private firm

Conceptual blending and the mapping of the inner recesses of the mind in Virginia Woolf's The Waves

Cette étude offre une lecture de The Waves de Virginia Woolf en tant qu’une représentation fictive des “formes exactes de la pensée.” Elle établit le lien entre le récit de The Waves et l’expérience personnelle de l’auteur avec “les voix” qui hantaient son esprit, en raison de sa maladie maniaco-dépressive. La présente étude propose également une analyse du roman inspirée par la théorie de la “fusion conceptuelle:” cette approche narrative a pour but de (1) souligner “la fusion” de l’imagination, des émotions, et de la perception qui constitue l’essence du récit de The Waves, (2) mettre l’accent sur les “configurations mentales” subtilement développées par/entre les voix du récit, en vue de diminuer le semblant de la désorganisation et de l’éparpillement des pensées généré par la représentation de la conscience, (3) permettre au lecteur d’accéder à la configuration subjective et identitaire des différentes voix du récit en traçant l’éventail de leurs pensées “fusionnées.” L’argument de cette dissertation est subdivisé en trois chapitres: le premier chapitre emploie la théorie de la fusion conceptuelle afin de souligner les processus mentaux menant à la création de “moments de vision.” Il décrit la manière dont la fusion des pensées intérieures et de la perception dans les “moments de vision” pourrait servir de tremplin à la configuration subjective des voix du récit. La deuxième section interprète l’ensemble des voix du roman en tant qu’une “société de soi-mêmes.” À l’aide de la théorie de la fusion conceptuelle, elle met l’accent sur les formes de pensée entrelacées entre les différentes voix du récit, ce qui permet aux protagonistes de développer une identité interrelationnelle, placée au plein centre des différentes subjectivités. Le troisième chapitre trace les processus mentaux permettant aux différentes voix du roman de développer une forme de subjectivité cohérente et intégrée. Dans ce chapitre, l’idée de la fusion des différents aspects de l’identité proposée par Fauconnier et Turner est employée pour décrire l’intégration des éléments de la subjectivité des protagonistes en une seule configuration identitaire. D’ailleurs, ce chapitre propose une interprétation du triste suicide de Rhoda qui met en relief son inaptitude à intégrer les fragments de sa subjectivité en une identité cohérente et “fusionnée.”

Modélisation procédurale de mondes virtuels par pavage d'occultation

Demonstration videos can be found on fr.linkedin.com/in/doriangomez/

Modeling High-Dimensional Audio Sequences with Recurrent Neural Networks

Cette thèse étudie des modèles de séquences de haute dimension basés sur des réseaux de neurones récurrents (RNN) et leur application à la musique et à la parole. Bien qu'en principe les RNN puissent représenter les dépendances à long terme et la dynamique temporelle complexe propres aux séquences d'intérêt comme la vidéo, l'audio et la langue naturelle, ceux-ci n'ont pas été utilisés à leur plein potentiel depuis leur introduction par Rumelhart et al. (1986a) en raison de la difficulté de les entraîner efficacement par descente de gradient. Récemment, l'application fructueuse de l'optimisation Hessian-free et d'autres techniques d'entraînement avancées ont entraîné la recrudescence de leur utilisation dans plusieurs systèmes de l'état de l'art. Le travail de cette thèse prend part à ce développement. L'idée centrale consiste à exploiter la flexibilité des RNN pour apprendre une description probabiliste de séquences de symboles, c'est-à-dire une information de haut niveau associée aux signaux observés, qui en retour pourra servir d'à priori pour améliorer la précision de la recherche d'information. Par exemple, en modélisant l'évolution de groupes de notes dans la musique polyphonique, d'accords dans une progression harmonique, de phonèmes dans un énoncé oral ou encore de sources individuelles dans un mélange audio, nous pouvons améliorer significativement les méthodes de transcription polyphonique, de reconnaissance d'accords, de reconnaissance de la parole et de séparation de sources audio respectivement. L'application pratique de nos modèles à ces tâches est détaillée dans les quatre derniers articles présentés dans cette thèse. Dans le premier article, nous remplaçons la couche de sortie d'un RNN par des machines de Boltzmann restreintes conditionnelles pour décrire des distributions de sortie multimodales beaucoup plus riches. Dans le deuxième article, nous évaluons et proposons des méthodes avancées pour entraîner les RNN. Dans les quatre derniers articles, nous examinons différentes façons de combiner nos modèles symboliques à des réseaux profonds et à la factorisation matricielle non-négative, notamment par des produits d'experts, des architectures entrée/sortie et des cadres génératifs généralisant les modèles de Markov cachés. Nous proposons et analysons également des méthodes d'inférence efficaces pour ces modèles, telles la recherche vorace chronologique, la recherche en faisceau à haute dimension, la recherche en faisceau élagué et la descente de gradient. Finalement, nous abordons les questions de l'étiquette biaisée, du maître imposant, du lissage temporel, de la régularisation et du pré-entraînement.

On Recurrent and Deep Neural Networks

L'apprentissage profond est un domaine de recherche en forte croissance en apprentissage automatique qui est parvenu à des résultats impressionnants dans différentes tâches allant de la classification d'images à la parole, en passant par la modélisation du langage. Les réseaux de neurones récurrents, une sous-classe d'architecture profonde, s'avèrent particulièrement prometteurs. Les réseaux récurrents peuvent capter la structure temporelle dans les données. Ils ont potentiellement la capacité d'apprendre des corrélations entre des événements éloignés dans le temps et d'emmagasiner indéfiniment des informations dans leur mémoire interne. Dans ce travail, nous tentons d'abord de comprendre pourquoi la profondeur est utile. Similairement à d'autres travaux de la littérature, nos résultats démontrent que les modèles profonds peuvent être plus efficaces pour représenter certaines familles de fonctions comparativement aux modèles peu profonds. Contrairement à ces travaux, nous effectuons notre analyse théorique sur des réseaux profonds acycliques munis de fonctions d'activation linéaires par parties, puisque ce type de modèle est actuellement l'état de l'art dans différentes tâches de classification. La deuxième partie de cette thèse porte sur le processus d'apprentissage. Nous analysons quelques techniques d'optimisation proposées récemment, telles l'optimisation Hessian free, la descente de gradient naturel et la descente des sous-espaces de Krylov. Nous proposons le cadre théorique des méthodes à région de confiance généralisées et nous montrons que plusieurs de ces algorithmes développés récemment peuvent être vus dans cette perspective. Nous argumentons que certains membres de cette famille d'approches peuvent être mieux adaptés que d'autres à l'optimisation non convexe. La dernière partie de ce document se concentre sur les réseaux de neurones récurrents. Nous étudions d'abord le concept de mémoire et tentons de répondre aux questions suivantes: Les réseaux récurrents peuvent-ils démontrer une mémoire sans limite? Ce comportement peut-il être appris? Nous montrons que cela est possible si des indices sont fournis durant l'apprentissage. Ensuite, nous explorons deux problèmes spécifiques à l'entraînement des réseaux récurrents, à savoir la dissipation et l'explosion du gradient. Notre analyse se termine par une solution au problème d'explosion du gradient qui implique de borner la norme du gradient. Nous proposons également un terme de régularisation conçu spécifiquement pour réduire le problème de dissipation du gradient. Sur un ensemble de données synthétique, nous montrons empiriquement que ces mécanismes peuvent permettre aux réseaux récurrents d'apprendre de façon autonome à mémoriser des informations pour une période de temps indéfinie. Finalement, nous explorons la notion de profondeur dans les réseaux de neurones récurrents. Comparativement aux réseaux acycliques, la définition de profondeur dans les réseaux récurrents est souvent ambiguë. Nous proposons différentes façons d'ajouter de la profondeur dans les réseaux récurrents et nous évaluons empiriquement ces propositions.

Constructions et représentation de la classe ouvrière du Nord du Québec à Fermont

À l'ère de la mondialisation, où la matrice capitaliste continue de dominer, la classification dans les groupes se définit encore en termes de classes, de genres et d'ethnicité. Les transformations causées par la mondialisation actuelle entraînent de nouveaux modes de production, qui à leur tour transforment les modes de définition et de régulation des populations. Le projet d'exploitation du Nord du Québec est un phénomène relativement récent; or, le processus de construction d'une classe sociale n'est pas un phénomène nouveau. La formation des classes sociales étant toujours en évolution, il semble aujourd'hui pertinent de réexaminer les facteurs économiques, sociologiques et historiques des caractéristiques théoriques nécessaires à la construction et à la représentation d'une classe sociale dont l'existence est liée à l'exploitation accrue des richesses naturelles, la classe ouvrière du Nord du Québec.

 À Fermont, dans le Nord du Québec, les compagnies minières emploient depuis 2011 une grande quantité de travailleurs québécois provenant de l'extérieur de la région, des travailleurs permanents non- résidents. Ainsi, la structure sociale construite sur la force de travailleurs locaux est aux prises avec de nouvelles dynamiques de mobilité sociale géographique. Au travail, les femmes et les autochtones sont aussi affectés par les relations des systèmes de pouvoir de la vie quotidienne, car les emplois de l'industrie minière et du domaine de la construction sont socialement et historiquement fondés sur des capitaux sociaux et culturels (blanc et homme). La classe ouvrière du Nord du Québec est redéfinit par son rapport à la migration géographique des travailleurs permanents non- résidents, par ses relations avec les minorités de genre et les minorités autochtones, relations qui engendrent une organisation sociale complexe et hétérogène.

Caratérisation de la surface d’énergie potentielle des matériaux complexes et son application sur la cinétique du SiO2/Si

Dans ce rapport de mémoire, nous avons utilisé les méthodes numériques telles que la dynamique moléculaire (code de Lammps) et ART-cinétique. Ce dernier est un algorithme de Monte Carlo cinétique hors réseau avec construction du catalogue d'événements à la volée qui incorpore exactement tous les effets élastiques. Dans la première partie, nous avons comparé et évalué des divers algorithmes de la recherche du minimum global sur une surface d'énergie potentielle des matériaux complexes. Ces divers algorithmes choisis sont essentiellement ceux qui utilisent le principe Bell-Evans-Polanyi pour explorer la surface d'énergie potentielle. Cette étude nous a permis de comprendre d'une part, les étapes nécessaires pour un matériau complexe d'échapper d'un minimum local vers un autre et d'autre part de contrôler les recherches pour vite trouver le minimum global. En plus, ces travaux nous ont amené à comprendre la force de ces méthodes sur la cinétique de l'évolution structurale de ces matériaux complexes. Dans la deuxième partie, nous avons mis en place un outil de simulation (le potentiel ReaxFF couplé avec ART-cinétique) capable d'étudier les étapes et les processus d'oxydation du silicium pendant des temps long comparable expérimentalement. Pour valider le système mis en place, nous avons effectué des tests sur les premières étapes d'oxydation du silicium. Les résultats obtenus sont en accord avec la littérature. Cet outil va être utilisé pour comprendre les vrais processus de l'oxydation et les transitions possibles des atomes d'oxygène à la surface du silicium associée avec les énergies de barrière, des questions qui sont des défis pour l'industrie micro-électronique.

Les algorithmes de haute résolution en tomographie d'émission par positrons : développement et accélération sur les cartes graphiques

La tomographie d’émission par positrons (TEP) est une modalité d’imagerie moléculaire utilisant des radiotraceurs marqués par des isotopes émetteurs de positrons permettant de quantifier et de sonder des processus biologiques et physiologiques. Cette modalité est surtout utilisée actuellement en oncologie, mais elle est aussi utilisée de plus en plus en cardiologie, en neurologie et en pharmacologie. En fait, c’est une modalité qui est intrinsèquement capable d’offrir avec une meilleure sensibilité des informations fonctionnelles sur le métabolisme cellulaire. Les limites de cette modalité sont surtout la faible résolution spatiale et le manque d’exactitude de la quantification. Par ailleurs, afin de dépasser ces limites qui constituent un obstacle pour élargir le champ des applications cliniques de la TEP, les nouveaux systèmes d’acquisition sont équipés d’un grand nombre de petits détecteurs ayant des meilleures performances de détection. La reconstruction de l’image se fait en utilisant les algorithmes stochastiques itératifs mieux adaptés aux acquisitions à faibles statistiques. De ce fait, le temps de reconstruction est devenu trop long pour une utilisation en milieu clinique. Ainsi, pour réduire ce temps, on les données d’acquisition sont compressées et des versions accélérées d’algorithmes stochastiques itératifs qui sont généralement moins exactes sont utilisées. Les performances améliorées par l’augmentation de nombre des détecteurs sont donc limitées par les contraintes de temps de calcul. Afin de sortir de cette boucle et permettre l’utilisation des algorithmes de reconstruction robustes, de nombreux travaux ont été effectués pour accélérer ces algorithmes sur les dispositifs GPU (Graphics Processing Units) de calcul haute performance. Dans ce travail, nous avons rejoint cet effort de la communauté scientifique pour développer et introduire en clinique l’utilisation des algorithmes de reconstruction puissants qui améliorent la résolution spatiale et l’exactitude de la quantification en TEP. Nous avons d’abord travaillé sur le développement des stratégies pour accélérer sur les dispositifs GPU la reconstruction des images TEP à partir des données d’acquisition en mode liste. En fait, le mode liste offre de nombreux avantages par rapport à la reconstruction à partir des sinogrammes, entre autres : il permet d’implanter facilement et avec précision la correction du mouvement et le temps de vol (TOF : Time-Of Flight) pour améliorer l’exactitude de la quantification. Il permet aussi d’utiliser les fonctions de bases spatio-temporelles pour effectuer la reconstruction 4D afin d’estimer les paramètres cinétiques des métabolismes avec exactitude. Cependant, d’une part, l’utilisation de ce mode est très limitée en clinique, et d’autre part, il est surtout utilisé pour estimer la valeur normalisée de captation SUV qui est une grandeur semi-quantitative limitant le caractère fonctionnel de la TEP. Nos contributions sont les suivantes : - Le développement d’une nouvelle stratégie visant à accélérer sur les dispositifs GPU l’algorithme 3D LM-OSEM (List Mode Ordered-Subset Expectation-Maximization), y compris le calcul de la matrice de sensibilité intégrant les facteurs d’atténuation du patient et les coefficients de normalisation des détecteurs. Le temps de calcul obtenu est non seulement compatible avec une utilisation clinique des algorithmes 3D LM-OSEM, mais il permet également d’envisager des reconstructions rapides pour les applications TEP avancées telles que les études dynamiques en temps réel et des reconstructions d’images paramétriques à partir des données d’acquisitions directement. - Le développement et l’implantation sur GPU de l’approche Multigrilles/Multitrames pour accélérer l’algorithme LMEM (List-Mode Expectation-Maximization). L’objectif est de développer une nouvelle stratégie pour accélérer l’algorithme de référence LMEM qui est un algorithme convergent et puissant, mais qui a l’inconvénient de converger très lentement. Les résultats obtenus permettent d’entrevoir des reconstructions en temps quasi-réel que ce soit pour les examens utilisant un grand nombre de données d’acquisition aussi bien que pour les acquisitions dynamiques synchronisées. Par ailleurs, en clinique, la quantification est souvent faite à partir de données d’acquisition en sinogrammes généralement compressés. Mais des travaux antérieurs ont montré que cette approche pour accélérer la reconstruction diminue l’exactitude de la quantification et dégrade la résolution spatiale. Pour cette raison, nous avons parallélisé et implémenté sur GPU l’algorithme AW-LOR-OSEM (Attenuation-Weighted Line-of-Response-OSEM) ; une version de l’algorithme 3D OSEM qui effectue la reconstruction à partir de sinogrammes sans compression de données en intégrant les corrections de l’atténuation et de la normalisation dans les matrices de sensibilité. Nous avons comparé deux approches d’implantation : dans la première, la matrice système (MS) est calculée en temps réel au cours de la reconstruction, tandis que la seconde implantation utilise une MS pré- calculée avec une meilleure exactitude. Les résultats montrent que la première implantation offre une efficacité de calcul environ deux fois meilleure que celle obtenue dans la deuxième implantation. Les temps de reconstruction rapportés sont compatibles avec une utilisation clinique de ces deux stratégies.

When Two Worlds Meet: A Response to Heesters

Commentaire / Commentary

Chroniques de maux (de l’extrême ordinaire) ; suivi de Attaques à vide : bousculer la situation théâtrale au confluent de l’humour et de l’invective dans la pièce Rouge Gueule d’Étienne Lepage

Alice au pays des merveilles et Nietzsche n'ont en commun ni la dentelle ni la chanson. Quelque chose de beaucoup plus fort les unit toutefois; nous le découvrirons peut-être ce jour où voleront les cochons. Ou à la fin de cette pièce, selon le bon vouloir des principaux-ales intéressé-e-s. Pendant ce temps, du fin fond de leur enclos, ils et elles n'en peuvent plus d'attendre. Leur salut ? L'heure du glas ? Leur heure de gloire ? Grands incapables, pugilistes décadents qui se tuent à ne pas se tuer, se déchaînent dans le verbiage, s'érigeant malgré eux contre toute forme de verve. Combattre cet Autre qui s'immisce insidieusement en soi et qui conduit à la perte du moi. C'est dans une folle lucidité que les égos se dérangent sans échanger, s'attaquent sans s'atteindre, hurlent sans être entendus, dans l'espoir, peut-être, de se réveiller in the land of Nod. Comme l’indique le titre, Chroniques de maux (de l’extrême ordinaire) met en scène une suite de chroniques dans lesquelles les principaux-ales intéressé-e-s témoignent de leur mal-être, et ce, à travers l’exploration de lieux communs. La dramaturgie tente, entre autres, de mettre en place une poésie de l’invective et de l’humour; une esthétique du trash-talking et de la logorrhée. Une importance particulière est accordée au rythme et au langage. L’atmosphère alterne résolument lourdeur et ludisme. La pièce Rouge Gueule, d'Étienne Lepage, présente une mécanique visant manifestement à « attaquer » l'Autre, qu’il s’agisse d’un personnage ou du lecteur-spectateur. Les attaques se perpètrent d'une part par un humour cru, influencé par la culture populaire, le trivial; un humour qui fonctionne de manière plutôt classique en convoquant des procédés aisément repérables et sans cesse réutilisés par l'auteur. D’autre part, la mécanique de « combat » se manifeste par l'invective, ainsi que par une violence caractérisée, du début à la fin, par un manque dans la motivation des actions. Ainsi, l’étude Attaques à vide. Bousculer la situation théâtrale au confluent de l’humour et la violence s’intéresse à Rouge Gueule, aux relations qu'entretiennent l’humour et l'univers brutal de la pièce, dans la perspective où l’humour est inextricablement lié à la violence. Une attention particulière est portée sur le personnage type de Lepage de même que sur l’esthétique de « l'arsenal » trash. Cette dernière est analysée afin de mieux circonscrire les attaques : sont-elles des moyens, et le cas échéant, pour parvenir à quelle fin puisque la fable, et donc la « quête », dans le théâtre contemporain est souvent remise en question. Cette étude verra comment les attaques « à vide », sont, chez Lepage, la force motrice de ce que Hans-Thies Lehmann nomme la « situation théâtrale ».

L'enfant au cinéma : la condition tragique d'une figure traumatique

La recherche vise à élaborer la condition tragique qui émane de la figure de l'enfant au cinéma – à travers ses traumas, ses blessures, voire sa destruction et sa perte – devant laquelle le spectateur adulte éprouve un certain malaise. Nous pouvons voir au cinéma des enfants aux prises avec des conditions de vie traumatisantes, voire inhumaines. Que ce soit les enfants abandonnés ou orphelins, les enfants violés, les enfants maltraités, les enfants victimes de guerre – incluant la dualité paradoxale qu’instaure l'enfant-soldat, de Ivan (« L’enfance d’Ivan », Tarkovski, 1962) à Komona (« Rebelle », Kim Nguyen, 2012) – ou les enfants face à la mort, diverses situations peuvent contribuer à inscrire l'enfance dans le registre du tragique, par la destruction ou la perte de l'enfance. L'enfance détruite porte en elle une blessure (trauma) – qu'elle soit physique ou psychique – qui renvoie au « manque », ou à la fragilité humaine que traduit l'image de l'enfant dit « sans secours ». Quand l’enfant doit faire face à une situation tragique où il est sans défense et confronté à son propre anéantissement, sa figure devient pour nous traumatique. Nous suggérons que le tragique place l’enfant au cinéma dans un après-coup qui renvoie à un traumatisme premier fondamental, prototype de toute situation traumatique. Pour le psychanalyste Sigmund Freud, ce serait un traumatisme lié à la détresse infantile – le « Hilflosigkeit » – qui correspond à la première angoisse vécue par le nourrisson dû à son impuissance (« Inhibition, symptôme et angoisse », [1926] 1951, Paris : PUF). Dans cette lignée, certains psychanalystes (comme Otto Rank ou Jean-Marie Delassus) préciseraient que le traumatisme s'installe dès la naissance, qui marque de manière universelle le premier sentiment de perte et d'angoisse suite à l'éjection dans un monde étranger et d'abord impossible, ce qui correspond à une dislocation première (suivant le sens qu’en propose Benoit Goetz dans « La dislocation » (2002, Paris : Éditions de la Passion)). L'enfant au cinéma, qui traverse des épreuves qui nous sont difficiles à concevoir, nous regarde et pointe en nous nos propres faiblesses, et cela interagit avec nos propres traumatismes. Quelques exemples filmiques viendront soutenir la recherche, avec principalement l’analyse d’un film exemplaire, « Les tortues volent aussi » de Bahman Ghobadi (2004).

Behaviour of laterised normal and self compacting concrete subjected to elevated temperatures

Concrete is a universal material in the construction industry. With natural resources like sand and aggregate, fast depleting, it is time to look for alternate materials to substitute these in the process of making concrete. There are instances like exposure to solar radiation, fire, furnaces, and nuclear reactor vessels, special applications like missile launching pads etc., where concrete is exposed to temperature variations In this research work, an attempt has been made to understand the behaviour of concrete when weathered laterite aggregate is used in both conventional and self compacting normal strength concrete. The study has been extended to understand the thermal behaviour of both types of laterised concretes and to check suitability as a fire protection material. A systematic study of laterised concrete considering parameters like source of laterite aggregate, grades of Ordinary Portland Cement (OPC) and types of supplementary cementitious materials (fly ash and GGBFS) has been carried out to arrive at a feasible combination of various ingredients in laterised concrete. A mix design methodology has been proposed for making normal strength laterised self compacting concrete based on trial mixes and the same has also been validated. The physical and mechanical properties of laterised concretes have been studied with respect to different variables like exposure temperature (200°C, 400°C and 600°C) and cooling environment (air cooled and water cooled). The behaviour of ferrocement elements with laterised self compacting concrete has also been studied by varying the cover to mesh reinforcement (10mm to 50mm at an interval of 10mm), exposure temperature and cooling environment.

HDPE-Ash Nanocomposites

Ash-based polymer composites are assuming increasing importance because of the pollutant potential, fine particle size, and low price of ash. Fly ash and rice husk ash are two prominent ash materials on which some investigations have already been done for potential use in polymer composites. This article highlights the results of a study on the use of wood ash in HDPE. Wood ash is mainly a mixture of various metallic compounds and some silica. Here, the characterization of wood ash has been done with the help of XRD, ICPAES, light scattering based particle size analysis, FTIR, and SEM. The results show that wood ash particle size has an average value of 293 nm, much lower than other categories of ash. When blended with HDPE in the presence of a compatibilizer, wood ash gives rise to vastly improved mechanical properties over that of the base polymer. The results prove that wood ash is a valuable reinforcing material for HDPE and the environmental pollution due to wood ash can be solved in a most profitable way by this technique.

Behavior of geopolymer concrete exposed to elevated temperatures

The research in the area of geopolymer is gaining momentum during the past 20 years. Studies confirm that geopolymer concrete has good compressive strength, tensile strength, flexural strength, modulus of elasticity and durability. These properties are comparable with OPC concrete.There are many occasions where concrete is exposed to elevated temperatures like fire exposure from thermal processor, exposure from furnaces, nuclear exposure, etc.. In such cases, understanding of the behaviour of concrete and structural members exposed to elevated temperatures is vital. Even though many research reports are available about the behaviour of OPC concrete at elevated temperatures, there is limited information available about the behaviour of geopolymer concrete after exposure to elevated temperatures. A preliminary study was carried out for the selection of a mix proportion. The important variable considered in the present study include alkali/fly ash ratio, percentage of total aggregate content, fine aggregate to total aggregate ratio, molarity of sodium hydroxide, sodium silicate to sodium hydroxide ratio, curing temperature and curing period. Influence of different variables on engineering properties of geopolymer concrete was investigated. The study on interface shear strength of reinforced and unreinforced geopolymer concrete as well as OPC concrete was also carried out. Engineering properties of fly ash based geopolymer concrete after exposure to elevated temperatures (ambient to 800 °C) were studied and the corresponding results were compared with those of conventional concrete. Scanning Electron Microscope analysis, Fourier Transform Infrared analysis, X-ray powder Diffractometer analysis and Thermogravimetric analysis of geopolymer mortar or paste at ambient temperature and after exposure to elevated temperature were also carried out in the present research work. Experimental study was conducted on geopolymer concrete beams after exposure to elevated temperatures (ambient to 800 °C). Load deflection characteristics, ductility and moment-curvature behaviour of the geopolymer concrete beams after exposure to elevated temperatures were investigated. Based on the present study, major conclusions derived could be summarized as follows. There is a definite proportion for various ingredients to achieve maximum strength properties. Geopolymer concrete with total aggregate content of 70% by volume, ratio of fine aggregate to total aggregate of 0.35, NaOH molarity 10, Na2SiO3/NaOH ratio of 2.5 and alkali to fly ash ratio of 0.55 gave maximum compressive strength in the present study. An early strength development in geopolymer concrete could be achieved by the proper selection of curing temperature and the period of curing. With 24 hours of curing at 100 °C, 96.4% of the 28th day cube compressive strength could be achieved in 7 days in the present study. The interface shear strength of geopolymer concrete is lower to that of OPC concrete. Compared to OPC concrete, a reduction in the interface shear strength by 33% and 29% was observed for unreinforced and reinforced geopolymer specimens respectively. The interface shear strength of geopolymer concrete is lower than ordinary Portland cement concrete. The interface shear strength of geopolymer concrete can be approximately estimated as 50% of the value obtained based on the available equations for the calculation of interface shear strength of ordinary portland cement concrete (method used in Mattock and ACI). Fly ash based geopolymer concrete undergoes a high rate of strength loss (compressive strength, tensile strength and modulus of elasticity) during its early heating period (up to 200 °C) compared to OPC concrete. At a temperature exposure beyond 600 °C, the unreacted crystalline materials in geopolymer concrete get transformed into amorphous state and undergo polymerization. As a result, there is no further strength loss (compressive strength, tensile strength and modulus of elasticity) in geopolymer concrete, whereas, OPC concrete continues to lose its strength properties at a faster rate beyond a temperature exposure of 600 °C. At present no equation is available to predict the strength properties of geopolymer concrete after exposure to elevated temperatures. Based on the study carried out, new equations have been proposed to predict the residual strengths (cube compressive strength, split tensile strength and modulus of elasticity) of geopolymer concrete after exposure to elevated temperatures (upto 800 °C). These equations could be used for material modelling until better refined equations are available. Compared to OPC concrete, geopolymer concrete shows better resistance against surface cracking when exposed to elevated temperatures. In the present study, while OPC concrete started developing cracks at 400 °C, geopolymer concrete did not show any visible cracks up to 600 °C and developed only minor cracks at an exposure temperatureof 800 °C. Geopolymer concrete beams develop crack at an early load stages if they are exposed to elevated temperatures. Even though the material strength of the geopolymer concrete does not decrease beyond 600 °C, the flexural strength of corresponding beam reduces rapidly after 600 °C temperature exposure, primarily due to the rapid loss of the strength of steel. With increase in temperature, the curvature at yield point of geopolymer concrete beam increases and thereby the ductility reduces. In the present study, compared to the ductility at ambient temperature, the ductility of geopolymer concrete beams reduces by 63.8% at 800 °C temperature exposure. Appropriate equations have been proposed to predict the service load crack width of geopolymer concrete beam exposed to elevated temperatures. These equations could be used to limit the service load on geopolymer concrete beams exposed to elevated temperatures (up to 800 °C) for a predefined crack width (between 0.1mm and 0.3 mm) or vice versa. The moment-curvature relationship of geopolymer concrete beams at ambient temperature is similar to that of RCC beams and this could be predicted using strain compatibility approach Once exposed to an elevated temperature, the strain compatibility approach underestimates the curvature of geopolymer concrete beams between the first cracking and yielding point.

Räumliche Modellierung der Dynamik von Landnutzung in Hessen und ihrer Wirkung auf die biologische Kohlenstoffspeicherung - Entwicklung eines GIS-basierten Modellsystems

Die gegenwärtige Entwicklung der internationalen Klimapolitik verlangt von Deutschland eine Reduktion seiner Treibhausgasemissionen. Wichtigstes Treibhausgas ist Kohlendioxid, das durch die Verbrennung fossiler Energieträger in die Atmosphäre freigesetzt wird. Die Reduktionsziele können prinzipiell durch eine Verminderung der Emissionen sowie durch die Schaffung von Kohlenstoffsenken erreicht werden. Senken beschreiben dabei die biologische Speicherung von Kohlenstoff in Böden und Wäldern. Eine wichtige Einflussgröße auf diese Prozesse stellt die räumliche Dynamik der Landnutzung einer Region dar. In dieser Arbeit wird das Modellsystem HILLS entwickelt und zur Simulation dieser komplexen Wirkbeziehungen im Bundesland Hessen genutzt. Ziel ist es, mit HILLS über eine Analyse des aktuellen Zustands hinaus auch Szenarien über Wege der zukünftigen regionalen Entwicklung von Landnutzung und ihrer Wirkung auf den Kohlenstoffhaushalt bis 2020 zu untersuchen. Für die Abbildung der räumlichen und zeitlichen Dynamik von Landnutzung in Hessen wird das Modell LUCHesse entwickelt. Seine Aufgabe ist die Simulation der relevanten Prozesse auf einem 1 km2 Raster, wobei die Raten der Änderung exogen als Flächentrends auf Ebene der hessischen Landkreise vorgegeben werden. LUCHesse besteht aus Teilmodellen für die Prozesse: (A) Ausbreitung von Siedlungs- und Gewerbefläche, (B) Strukturwandel im Agrarsektor sowie (C) Neuanlage von Waldflächen (Aufforstung). Jedes Teilmodell umfasst Methoden zur Bewertung der Standorteignung der Rasterzellen für unterschiedliche Landnutzungsklassen und zur Zuordnung der Trendvorgaben zu solchen Rasterzellen, die jeweils am besten für eine Landnutzungsklasse geeignet sind. Eine Validierung der Teilmodelle erfolgt anhand von statistischen Daten für den Zeitraum von 1990 bis 2000. Als Ergebnis eines Simulationslaufs werden für diskrete Zeitschritte digitale Karten der Landnutzugsverteilung in Hessen erzeugt. Zur Simulation der Kohlenstoffspeicherung wird eine modifizierte Version des Ökosystemmodells Century entwickelt (GIS-Century). Sie erlaubt einen gesteuerten Simulationslauf in Jahresschritten und unterstützt die Integration des Modells als Komponente in das HILLS Modellsystem. Es werden verschiedene Anwendungsschemata für GIS-Century entwickelt, mit denen die Wirkung der Stilllegung von Ackerflächen, der Aufforstung sowie der Bewirtschaftung bereits bestehender Wälder auf die Kohlenstoffspeicherung untersucht werden kann. Eine Validierung des Modells und der Anwendungsschemata erfolgt anhand von Feld- und Literaturdaten. HILLS implementiert eine sequentielle Kopplung von LUCHesse mit GIS-Century. Die räumliche Kopplung geschieht dabei auf dem 1 km2 Raster, die zeitliche Kopplung über die Einführung eines Landnutzungsvektors, der die Beschreibung der Landnutzungsänderung einer Rasterzelle während des Simulationszeitraums enthält. Außerdem integriert HILLS beide Modelle über ein dienste- und datenbankorientiertes Konzept in ein Geografisches Informationssystem (GIS). Auf diesem Wege können die GIS-Funktionen zur räumlichen Datenhaltung und Datenverarbeitung genutzt werden. Als Anwendung des Modellsystems wird ein Referenzszenario für Hessen mit dem Zeithorizont 2020 berechnet. Das Szenario setzt im Agrarsektor eine Umsetzung der AGENDA 2000 Politik voraus, die in großem Maße zu Stilllegung von Ackerflächen führt, während für den Bereich Siedlung und Gewerbe sowie Aufforstung die aktuellen Trends der Flächenausdehnung fortgeschrieben werden. Mit HILLS ist es nun möglich, die Wirkung dieser Landnutzungsänderungen auf die biologische Kohlenstoffspeicherung zu quantifizieren. Während die Ausdehnung von Siedlungsflächen als Kohlenstoffquelle identifiziert werden kann (37 kt C/a), findet sich die wichtigste Senke in der Bewirtschaftung bestehender Waldflächen (794 kt C/a). Weiterhin führen die Stilllegung von Ackerfläche (26 kt C/a) sowie Aufforstung (29 kt C/a) zu einer zusätzlichen Speicherung von Kohlenstoff. Für die Kohlenstoffspeicherung in Böden zeigen die Simulationsexperimente sehr klar, dass diese Senke nur von beschränkter Dauer ist.