Structural Analysis and Form-Finding of Mycelium-Based Monolithic Domes

As sustainability becomes an integral design driver for current civil structures, new materials and forms are investigated. The aim of this study is to investigate analytically and numerically the mechanical behavior of monolithic domes composed of mycological fungi. The study focuses on hemispherical and elliptical forms, as the most typical solution for domes. The influence of different types of loading, geometrical parameters, material properties and boundary conditions is investigated in this study. For the cases covered by the classical shell theory, a comparison between the analytical and the finite element solution is given. Two case studies regarding the dome of basilica of “San Luca” (Bologna, Italy) and the dome of sanctuary of “Vicoforte” (Vicoforte, Italy) are included. After the linear analysis under loading, buckling is also investigated as a critical type of failure through a parametric study using finite elements model. Since shells rely on their shape, form-found domes are also investigated and a comparison between the behavior of the form-found domes and the hemispherical domes under the linear and buckling analysis is conducted. From the analysis it emerges that form-finding can enhance the structural response of mycelium-based domes, although buckling becomes even more critical for their design. Furthermore, an optimal height to span ratio for the buckling of form-found domes is identified. This study highlights the importance of investigating appropriate forms for the design of novel biomaterial-based structures.

Renormalization group flows between non-unitary conformal models

Recentemente sono stati valutati come fisicamente consistenti diversi modelli non-hermitiani sia in meccanica quantistica che in teoria dei campi. La classe dei modelli pseudo-hermitiani, infatti, si adatta ad essere usata per la descrizione di sistemi fisici dal momento che, attraverso un opportuno operatore metrico, risulta possibile ristabilire una struttura hermitiana ed unitaria. I sistemi PT-simmetrici, poi, sono una categoria particolarmente studiata in letteratura. Gli esempi riportati sembrano suggerire che anche le cosiddette teorie conformi non-unitarie appartengano alla categoria dei modelli PT-simmetrici, e possano pertanto adattarsi alla descrizione di fenomeni fisici. In particolare, si tenta qui la costruzione di determinate lagrangiane Ginzburg-Landau per alcuni modelli minimali non-unitari, sulla base delle identificazioni esistenti per quanto riguarda i modelli minimali unitari. Infine, si suggerisce di estendere il dominio del noto teorema c alla classe delle teorie di campo PT-simmetriche, e si propongono alcune linee per una possibile dimostrazione dell'ipotizzato teorema c_{eff}.

Fermion Mass Generation without Spontaneous Symmetry Breaking

The conventional mechanism of fermion mass generation in the Standard Model involves Spontaneous Symmetry Breaking (SSB). In this thesis, we study an alternate mechanism for the generation of fermion masses that does not require SSB, in the context of lattice field theories. Being inherently strongly coupled, this mechanism requires a non-perturbative approach like the lattice approach.

In order to explore this mechanism, we study a simple lattice model with a four-fermion interaction that has massless fermions at weak couplings and massive fermions at strong couplings, but without any spontaneous symmetry breaking. Prior work on this type of mass generation mechanism in 4D, was done long ago using either mean-field theory or Monte-Carlo calculations on small lattices. In this thesis, we have developed a new computational approach that enables us to perform large scale quantum Monte-Carlo calculations to study the phase structure of this theory. In 4D, our results confirm prior results, but differ in some quantitative details of the phase diagram. In contrast, in 3D, we discover a new second order critical point using calculations on lattices up to size $ 60^3$. Such large scale calculations are unprecedented. The presence of the critical point implies the existence of an alternate mechanism of fermion mass generation without any SSB, that could be of interest in continuum quantum field theory.

Net-surplus as a useful tool to analyse financial information in co-op societies

This paper aims to analyse a sample of Galician co-ops to verify whether or not it is possible to deduce different financial behaviours among co-op partners from the amount of net-surplus. To this end, our study adds net-surplus to the variation registered in some account entries so that other residual incomes yielded by the co-op may be considered. The distribution of these revenues shows that partners do not usually choose to fully anticipate residual incomes. This reveals that some firms follow a positive net-surplus strategy, which is actually different from the null net-surplus strategy asserted by the classical financial theory. Furthermore, results show that differences between both strategies are statistically significant. This opens a path to future research on determinants explaining why co-op partners voluntarily renounce to anticipating these residual incomes. Such behaviour only arises when yearly accounts render a positive result, thereby making the accounting net-surplus a useful tool to analyse financial information in co-op societies.

Microscopic Mechanism and Kinetics of Ice Formation at Complex Interfaces: Zooming in on Kaolinite

Most ice in nature forms because of impurities which boost the exceedingly low nucleation rate of pure supercooled water. However, the microscopic details of ice nucleation on these substances remain largely unknown. Here, we have unraveled the molecular mechanism and the kinetics of ice formation on kaolinite, a clay mineral playing a key role in climate science. We find that the formation of ice at strong supercooling in the presence of this clay is about 20 orders of magnitude faster than homogeneous freezing. The critical nucleus is substantially smaller than that found for homogeneous nucleation and, in contrast to the predictions of classical nucleation theory (CNT), it has a strong two-dimensional character. Nonetheless, we show that CNT describes correctly the formation of ice at this complex interface. Kaolinite also promotes the exclusive nucleation of hexagonal ice, as opposed to homogeneous freezing where a mixture of cubic and hexagonal polytypes is observed.

Représentations et fusion des algèbres de Temperley-Lieb originale et diluée

Les algèbres de Temperley-Lieb originales, aussi dites régulières, apparaissent dans de nombreux modèles statistiques sur réseau en deux dimensions: les modèles d'Ising, de Potts, des dimères, celui de Fortuin-Kasteleyn, etc. L'espace d'Hilbert de l'hamiltonien quantique correspondant à chacun de ces modèles est un module pour cette algèbre et la théorie de ses représentations peut être utilisée afin de faciliter la décomposition de l'espace en blocs; la diagonalisation de l'hamiltonien s'en trouve alors grandement simplifiée. L'algèbre de Temperley-Lieb diluée joue un rôle similaire pour des modèles statistiques dilués, par exemple un modèle sur réseau où certains sites peuvent être vides; ses représentations peuvent alors être utilisées pour simplifier l'analyse du modèle comme pour le cas original. Or ceci requiert une connaissance des modules de cette algèbre et de leur structure; un premier article donne une liste complète des modules projectifs indécomposables de l'algèbre diluée et un second les utilise afin de construire une liste complète de tous les modules indécomposables des algèbres originale et diluée. La structure des modules est décrite en termes de facteurs de composition et par leurs groupes d'homomorphismes. Le produit de fusion sur l'algèbre de Temperley-Lieb originale permet de «multiplier» ensemble deux modules sur cette algèbre pour en obtenir un autre. Il a été montré que ce produit pouvait servir dans la diagonalisation d'hamiltoniens et, selon certaines conjectures, il pourrait également être utilisé pour étudier le comportement de modèles sur réseaux dans la limite continue. Un troisième article construit une généralisation du produit de fusion pour les algèbres diluées, puis présente une méthode pour le calculer. Le produit de fusion est alors calculé pour les classes de modules indécomposables les plus communes pour les deux familles, originale et diluée, ce qui vient ajouter à la liste incomplète des produits de fusion déjà calculés par d'autres chercheurs pour la famille originale. Finalement, il s'avère que les algèbres de Temperley-Lieb peuvent être associées à une catégorie monoïdale tressée, dont la structure est compatible avec le produit de fusion décrit ci-dessus. Le quatrième article calcule explicitement ce tressage, d'abord sur la catégorie des algèbres, puis sur la catégorie des modules sur ces algèbres. Il montre également comment ce tressage permet d'obtenir des solutions aux équations de Yang-Baxter, qui peuvent alors être utilisées afin de construire des modèles intégrables sur réseaux.

Towards a performance based design of shear walls based on damage criteria = Vers un dimensionnement performanciel des murs de refend basé sur des critères d'endommagement

Le dimensionnement basé sur la performance (DBP), dans une approche déterministe, caractérise les objectifs de performance par rapport aux niveaux de performance souhaités. Les objectifs de performance sont alors associés à l'état d'endommagement et au niveau de risque sismique établis. Malgré cette approche rationnelle, son application est encore difficile. De ce fait, des outils fiables pour la capture de l'évolution, de la distribution et de la quantification de l'endommagement sont nécessaires. De plus, tous les phénomènes liés à la non-linéarité (matériaux et déformations) doivent également être pris en considération. Ainsi, cette recherche montre comment la mécanique de l'endommagement pourrait contribuer à résoudre cette problématique avec une adaptation de la théorie du champ de compression modifiée et d'autres théories complémentaires. La formulation proposée adaptée pour des charges monotones, cycliques et de type pushover permet de considérer les effets non linéaires liés au cisaillement couplé avec les mécanismes de flexion et de charge axiale. Cette formulation est spécialement appliquée à l'analyse non linéaire des éléments structuraux en béton soumis aux effets de cisaillement non égligeables. Cette nouvelle approche mise en œuvre dans EfiCoS (programme d'éléments finis basé sur la mécanique de l'endommagement), y compris les critères de modélisation, sont également présentés ici. Des calibrations de cette nouvelle approche en comparant les prédictions avec des données expérimentales ont été réalisées pour les murs de refend en béton armé ainsi que pour des poutres et des piliers de pont où les effets de cisaillement doivent être pris en considération. Cette nouvelle version améliorée du logiciel EFiCoS a démontrée être capable d'évaluer avec précision les paramètres associés à la performance globale tels que les déplacements, la résistance du système, les effets liés à la réponse cyclique et la quantification, l'évolution et la distribution de l'endommagement. Des résultats remarquables ont également été obtenus en référence à la détection appropriée des états limites d'ingénierie tels que la fissuration, les déformations unitaires, l'éclatement de l'enrobage, l'écrasement du noyau, la plastification locale des barres d'armature et la dégradation du système, entre autres. Comme un outil pratique d'application du DBP, des relations entre les indices d'endommagement prédits et les niveaux de performance ont été obtenus et exprimés sous forme de graphiques et de tableaux. Ces graphiques ont été développés en fonction du déplacement relatif et de la ductilité de déplacement. Un tableau particulier a été développé pour relier les états limites d'ingénierie, l'endommagement, le déplacement relatif et les niveaux de performance traditionnels. Les résultats ont démontré une excellente correspondance avec les données expérimentales, faisant de la formulation proposée et de la nouvelle version d'EfiCoS des outils puissants pour l'application de la méthodologie du DBP, dans une approche déterministe.

Das "zweite Leben" Erwin Chargaffs : kritische Essayistik zwischen den "Two cultures"

Magdalena Bachmann

State sum models for quantum gravity

This paper reviews the construction of quantum field theory on a 4-dimensional spacetime by combinatorial methods, and discusses the recent developments in the direction of a combinatorial construction of quantum gravity.

Geometrical measurements in three-dimensional quantum gravity

A set of observables is described for the topological quantum field theory which describes quantum gravity in three space-time dimensions with positive signature and positive cosmological constant. The simplest examples measure the distances between points, giving spectra and probabilities which have a geometrical interpretation. The observables are related to the evaluation of relativistic spin networks by a Fourier transform.

Sigma models for genuinely non-geometric backgrounds

The existence of genuinely non-geometric backgrounds, i.e. ones without geometric dual, is an important question in string theory. In this paper we examine this question from a sigma model perspective. First we construct a particular class of Courant algebroids as protobialgebroids with all types of geometric and non-geometric fluxes. For such structures we apply the mathematical result that any Courant algebroid gives rise to a 3D topological sigma model of the AKSZ type and we discuss the corresponding 2D field theories. It is found that these models are always geometric, even when both 2-form and 2-vector fields are neither vanishing nor inverse of one another. Taking a further step, we suggest an extended class of 3D sigma models, whose world volume is embedded in phase space, which allow for genuinely non-geometric backgrounds. Adopting the doubled formalism such models can be related to double field theory, albeit from a world sheet perspective.

The renormalization group via statistical inference

In physics, one attempts to infer the rules governing a system given only the results of imperfect measurements. Hence, microscopic theories may be effectively indistinguishable experimentally. We develop an operationally motivated procedure to identify the corresponding equivalence classes of states, and argue that the renormalization group (RG) arises from the inherent ambiguities associated with the classes: one encounters flow parameters as, e.g., a regulator, a scale, or a measure of precision, which specify representatives in a given equivalence class. This provides a unifying framework and reveals the role played by information in renormalization. We validate this idea by showing that it justifies the use of low-momenta n-point functions as statistically relevant observables around a Gaussian hypothesis. These results enable the calculation of distinguishability in quantum field theory. Our methods also provide a way to extend renormalization techniques to effective models which are not based on the usual quantum-field formalism, and elucidates the relationships between various type of RG.

High-temperature superconductivity in the two-dimensional t-J model: Gutzwiller wavefunction solution

A systematic diagrammatic expansion for Gutzwiller wavefunctions (DE-GWFs) proposed very recently is used for the description of the superconducting (SC) ground state in the two-dimensional square-lattice t-J model with the hopping electron amplitudes t (and t') between nearest (and next-nearest) neighbors. For the example of the SC state analysis we provide a detailed comparison of the method's results with those of other approaches. Namely, (i) the truncated DE-GWF method reproduces the variational Monte Carlo (VMC) results and (ii) in the lowest (zeroth) order of the expansion the method can reproduce the analytical results of the standard Gutzwiller approximation (GA), as well as of the recently proposed 'grand-canonical Gutzwiller approximation' (called either GCGA or SGA). We obtain important features of the SC state. First, the SC gap at the Fermi surface resembles a d(x2-y2) wave only for optimally and overdoped systems, being diminished in the antinodal regions for the underdoped case in a qualitative agreement with experiment. Corrections to the gap structure are shown to arise from the longer range of the real-space pairing. Second, the nodal Fermi velocity is almost constant as a function of doping and agrees semi-quantitatively with experimental results. Third, we compare the