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In der vorliegenden Arbeit wird das Tragverhalten von durchlaufenden stahlfaserbewehrten Stahlverbunddecken analysiert. Auf der Basis von experimentellen und rechnerischen Untersuchungen werden zwei Bemessungsmodelle entwickelt. Anhand der experimentellen Untersuchungen an einfeldrigen und durchlaufenden stahlfaserbewehrten Verbunddecken werden Aufschlüsse über das Trag- und Verformungsverhalten der Decken gewonnen. Dabei werden sowohl offene trapezförmige als auch hinterschnittene Profilbleche verwendet. Auf eine konventionelle Betonstahlbewehrung wird gänzlich verzichtet. Das Stützmoment wird vom Stahlfaserbeton alleine aufgenommen. In vier Versuchsserien mit insgesamt 18 Versuchen werden einzelne Parameter wie z. B. unterschiedliche Deckenstärken, unterschiedliche Profilblechgeometrien sowie unterschiedliche Stahlfaserbetonmischungen untersucht. Für die Berechnung und Bemessung werden die im Verbundbau üblichen Nachweisverfahren aufgegriffen und modifiziert. Die Traganteile des Stahlfaserbetons werden über den Ansatz von Spannungsblöcken implementiert. Bei der Nachrechnung der einzelnen Versuche zeigt sich die Eignung der Verfahren. Für die einzelnen Nachweise werden in Parameterstudien Bemessungsdiagramme und –tabellen erstellt, die dem anwendenden Ingenieur ein einfaches und sicheres Bemessen ermöglichen. Anhand der experimentellen Ergebnisse und der rechnerischen Untersuchungen werden zwei mögliche Bemessungsmodelle entwickelt, mit denen die Tragfähigkeit von stahlfaserbewehrten durchlaufenden Verbunddecken nachgewiesen werden kann. Dabei kann der Nachweis entweder nach den Verfahren Elastisch-Plastisch oder Plastisch-Plastisch erfolgen.
Tropical intersection theory
(2010)
This thesis consists of five chapters: Chapter 1 contains the basics of the theory and is essential for the rest of the thesis. Chapters 2-5 are to a large extent independent of each other and can be read separately. - Chapter 1: Foundations of tropical intersection theory In this first chapter we set up the foundations of a tropical intersection theory covering many concepts and tools of its counterpart in algebraic geometry such as affine tropical cycles, Cartier divisors, morphisms of tropical cycles, pull-backs of Cartier divisors, push-forwards of cycles and an intersection product of Cartier divisors and cycles. Afterwards, we generalize these concepts to abstract tropical cycles and introduce a concept of rational equivalence. Finally, we set up an intersection product of cycles and prove that every cycle is rationally equivalent to some affine cycle in the special case that our ambient cycle is R^n. We use this result to show that rational and numerical equivalence agree in this case and prove a tropical Bézout's theorem. - Chapter 2: Tropical cycles with real slopes and numerical equivalence In this chapter we generalize our definitions of tropical cycles to polyhedral complexes with non-rational slopes. We use this new definition to show that if our ambient cycle is a fan then every subcycle is numerically equivalent to some affine cycle. Finally, we restrict ourselves to cycles in R^n that are "generic" in some sense and study the concept of numerical equivalence in more detail. - Chapter 3: Tropical intersection products on smooth varieties We define an intersection product of tropical cycles on tropical linear spaces L^n_k and on other, related fans. Then, we use this result to obtain an intersection product of cycles on any "smooth" tropical variety. Finally, we use the intersection product to introduce a concept of pull-backs of cycles along morphisms of smooth tropical varieties and prove that this pull-back has all expected properties. - Chapter 4: Weil and Cartier divisors under tropical modifications First, we introduce "modifications" and "contractions" and study their basic properties. After that, we prove that under some further assumptions a one-to-one correspondence of Weil and Cartier divisors is preserved by modifications. In particular we can prove that on any smooth tropical variety we have a one-to-one correspondence of Weil and Cartier divisors. - Chapter 5: Chern classes of tropical vector bundles We give definitions of tropical vector bundles and rational sections of tropical vector bundles. We use these rational sections to define the Chern classes of such a tropical vector bundle. Moreover, we prove that these Chern classes have all expected properties. Finally, we classify all tropical vector bundles on an elliptic curve up to isomorphisms.
A prime motivation for using XML to directly represent pieces of information is the ability of supporting ad-hoc or 'schema-later' settings. In such scenarios, modeling data under loose data constraints is essential. Of course, the flexibility of XML comes at a price: the absence of a rigid, regular, and homogeneous structure makes many aspects of data management more challenging. Such malleable data formats can also lead to severe information quality problems, because the risk of storing inconsistent and incorrect data is greatly increased. A prominent example of such problems is the appearance of the so-called fuzzy duplicates, i.e., multiple and non-identical representations of a real-world entity. Similarity joins correlating XML document fragments that are similar can be used as core operators to support the identification of fuzzy duplicates. However, similarity assessment is especially difficult on XML datasets because structure, besides textual information, may exhibit variations in document fragments representing the same real-world entity. Moreover, similarity computation is substantially more expensive for tree-structured objects and, thus, is a serious performance concern. This thesis describes the design and implementation of an effective, flexible, and high-performance XML-based similarity join framework. As main contributions, we present novel structure-conscious similarity functions for XML trees - either considering XML structure in isolation or combined with textual information -, mechanisms to support the selection of relevant information from XML trees and organization of this information into a suitable format for similarity calculation, and efficient algorithms for large-scale identification of similar, set-represented objects. Finally, we validate the applicability of our techniques by integrating our framework into a native XML database management system; in this context we address several issues around the integration of similarity operations into traditional database architectures.
The optimal design of rotational production processes for glass wool manufacturing poses severe computational challenges to mathematicians, natural scientists and engineers. In this paper we focus exclusively on the spinning regime where thousands of viscous thermal glass jets are formed by fast air streams. Homogeneity and slenderness of the spun fibers are the quality features of the final fabric. Their prediction requires the computation of the fuidber-interactions which involves the solving of a complex three-dimensional multiphase problem with appropriate interface conditions. But this is practically impossible due to the needed high resolution and adaptive grid refinement. Therefore, we propose an asymptotic coupling concept. Treating the glass jets as viscous thermal Cosserat rods, we tackle the multiscale problem by help of momentum (drag) and heat exchange models that are derived on basis of slender-body theory and homogenization. A weak iterative coupling algorithm that is based on the combination of commercial software and self-implemented code for ow and rod solvers, respectively, makes then the simulation of the industrial process possible. For the boundary value problem of the rod we particularly suggest an adapted collocation-continuation method. Consequently, this work establishes a promising basis for future optimization strategies.
This work deals with the modeling and simulation of slender viscous jets exposed to gravity and rotation, as they occur in rotational spinning processes. In terms of slender-body theory we show the asymptotic reduction of a viscous Cosserat rod to a string system for vanishing slenderness parameter. We propose two string models, i.e. inertial and viscous-inertial string models, that differ in the closure conditions and hence yield a boundary value problem and an interface problem, respectively. We investigate the existence regimes of the string models in the four-parametric space of Froude, Rossby, Reynolds numbers and jet length. The convergence regimes where the respective string solution is the asymptotic limit to the rod turn out to be disjoint and to cover nearly the whole parameter space. We explore the transition hyperplane and derive analytically low and high Reynolds number limits. Numerical studies of the stationary jet behavior for different parameter ranges complete the work.
The purpose of Exploration in Oil Industry is to "discover" an oil-containing geological formation from exploration data. In the context of this PhD project this oil-containing geological formation plays the role of a geometrical object, which may have any shape. The exploration data may be viewed as a "cloud of points", that is a finite set of points, related to the geological formation surveyed in the exploration experiment. Extensions of topological methodologies, such as homology, to point clouds are helpful in studying them qualitatively and capable of resolving the underlying structure of a data set. Estimation of topological invariants of the data space is a good basis for asserting the global features of the simplicial model of the data. For instance the basic statistical idea, clustering, are correspond to dimension of the zero homology group of the data. A statistics of Betti numbers can provide us with another connectivity information. In this work represented a method for topological feature analysis of exploration data on the base of so called persistent homology. Loosely, this is the homology of a growing space that captures the lifetimes of topological attributes in a multiset of intervals called a barcode. Constructions from algebraic topology empowers to transform the data, to distillate it into some persistent features, and to understand then how it is organized on a large scale or at least to obtain a low-dimensional information which can point to areas of interest. The algorithm for computing of the persistent Betti numbers via barcode is realized in the computer algebra system "Singular" in the scope of the work.
Wissenschaftliche Studien deuten auf eine gesundheitsförderndes und gewichtsregulierendes Potential des Kaffees hin, welches vor allem mit dem hohen Gehalt an Antioxidantien in Verbindung gebracht wird. In dieser Arbeit wurden Kaffeeextrakte, -inhaltsstoffe sowie Kaffeegetränke hinsichtlich ihrer antioxidativen Wirksamkeit untersucht. In-vitro wurde die präventive Wirkung von Extrakten aus leicht (AB1), mittel (RI, AC, AB) und stark (AB 2) gerösteten Kaffees mit Markern oxidativer Zellschädigung und Zellantwort in den Kolonkarzinomzelllinien HT-29 und Caco-2 charakterisiert. Vergleichend wurden die ausgewählten originären Kaffeeinhaltstoffe 5-Caffeoylchinasäure (5-CQA) und Trigonellin (TRIG) sowie die Röstprodukte Kaffeesäure (CA), Catechol (Cat), 1,2,4-Trihydroxybenzol (THB), N-Methylpyridinium (NMP) und methylierte NMP-Analoga untersucht. Erfasste Parameter waren zellulärer ROS-Level, (oxidative) DNA-Schädigung und Proteinexpression der ARE-abhängigen Enzyme NQO1, g-GCL und GSR. Zusätzlich wurde die direkte antioxidative Aktivität mittels TEAC- und ORAC-Assay gemessen. Die Ergebnisse zeigten eine radikalabfangende Eigenschaft aller Kaffeeextrakte mit Werten von 0,9-1,5 mM Trolox (TEAC) bzw. 2,5-2,8 mM Trolox (ORAC). Der zelluläre ROS-Level wurde in HT-29 Zellen durch die Extrakte AB, AC, RI und stark gerösteten AB 2 signifikant verringert. Eine konzentrationsabhängige und signifikante Induktion ARE- abhängiger Enzyme (NQO1, g-GCL und GSR) in HT-29 Zellen wurde durch den CQA-reichen AB 1 beobachtet, der NMP-reiche AB 2 war dagegen unwirksam. Von den untersuchten Kaffeeinhaltsstoffen zeigten nur die phenolischen Verbindungen 5-CQA und CA eine ausgeprägte zellfreie antioxidative Aktivität. Der zelluläre ROS-Level konnte durch 5-CQA verringert werden, dagegen waren methylierte NMP-Analoga in der Lage (oxidative) DNA-Schäden in Caco-2 Zellen zu reduzieren. 5-CQA induzierte wie leicht gerösteter AB 1 die Proteinexpression alle untersuchten Enzyme in HT-29 Zellen. Weiterhin wurde in zwei aufeinander folgenden humanen Interventionsstudien das antioxidative Potential unterschiedlicher Kaffeegetränke mit hohem Anteil an Antioxidantien charakterisiert; in der zweiten Studie wurde zusätzlich auf gewichtsregulierende Wirkung des Studienkaffees geprüft. Im Rahmen der ersten Pilotstudie, durchgeführt durch AG. Somoza (DFA Garching) wurde die Modulation von DNA-Schäden im Blut von Probanden nach Konsum zweier Kaffeegetränke erfasst, die reich an Chlorogensäuren oder an N-Methylpyridinium waren (Kaffeekonsum: 0,5 L pro Tag, 4 Wochen). Beide Kaffeegetränke bewirkten im Blut gesunder Probanden eine deutliche Abnahme oxidativer DNA-Schäden. In der zweiten Interventionsstudie nahmen 35 männliche Probanden nach einer vierwöchigen Wash-out Phase über vier Wochen täglich 750 ml eines Antioxidantien reichen Kaffees (580 mg/l CQAs; 71,7 mg/l NMP) auf, anschließend folgte eine vierwöchige Wash-out Phase. Zu Beginn der Studie und am Ende jeder Phase wurden Blutentnahmen zur Bestimmung der Biomarker (oxidative) DNA-Schäden, Glutathion (Gesamtglutathion tGSH, oxidiertes Glutathion GSSG) sowie Bioimpedanzanalysen zur Bestimmung der Körperzusammensetzung durchgeführt. Zusätzlich wurden Energie und Nährstoffaufnahme der Probanden erfasst. Die Ergebnisse zeigten eine signifikante Abnahme (oxidativer) DNA-Schäden (p < 0,001), Anstieg des tGSH-Spiegels (p<0,05) und des GSH-Status (Trend) und eine Erniedrigung des GSSG-Spiegels. Weiterhin wurde eine signifikante Abnahme von Körpergewicht und Körperfett der Probanden während der Kaffeeintervention im Vergleich zur beiden Wash-out Phasen beobachtet, welche vor allem bei Probanden mit BMI < 25 stärker ausgeprägt war. Die Verringerung der Energie- und Nährstoffaufnahme während der Kaffeephase weist auf eine Kaffeeabhängige beeinflussung der Sättigungsregulation hin. Zusammenfassend besitzt der Antioxidantien reiche Studienkaffee ein eindeutiges Potential zur Verringerung oxidativer Zellschädigung sowie gewichtsregulierende Wirkung in gesunden Probanden. Aufgrund der von uns erhaltenen in vitro Daten kann die antioxidative Wirksamkeit zum Teil auf die untersuchten originären Kaffeeinhaltsstoffen (vor allem CQAs) und Röstprodukte zurückgeführt werden. Andere bisher nicht charakterisierte Sustanzen/Stoffgruppen tragen vermutlich ebenfalls zu der beobachteten Wirkung bei.
Bei Acrylamid handelt es sich um ein genotoxisches Kanzerogen, welches beim Erhitzen von Lebensmitteln gebildet wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit spezifische Lebensmittelmatrices die Bioverfügbarkeit und den Metabolismus von Acrylamid beeinflussen. Lebkuchen als zuckerhaltiges, fettarmes und trockenes Lebensmittel auf Getreidebasis und Pommes frites (fett- und wasserreich; Kartoffelbasis) die entweder direkt aus der Kartoffel geschnitten (mit intakter Gewebestruktur) oder aus Kartoffelerzeugnissen „rekombiniert“ wurden sowie Brotkruste wurden an männliche Sprague Dawley-Ratten über 1, 3, 5, 7 und 9 Tage verfüttert und mit der Aufnahme von Acrylamid über Trinkwasser (Schlundsondierung)verglichen. Die täglich verabreichte Acrylamid-Dosis lag bei 100 µg/kg KG für Pommes frites und Lebkuchen bzw. 50 µg/kg KG für Brotkruste. Als Langzeit-Expositionsbiomarker wurden Addukte von Acrylamid und Glycidamid mit dem endständigen Valin (Val) am Hämoglobin (Hb) herangezogen. Das Ausmaß der AAVal-Bildung in den Tieren, denen Acrylamid über Pommes frites verabreicht wurde, entsprach jener nach Gabe einer entsprechenden Dosis Acrylamid in Trinkwasser mittels Schlundsondierung (AA-TW-Gruppen), was auf eine vergleichbare Bioverfügbarkeit von Acrylamid hindeutet. Lediglich in den Gruppen, die Acrylamid über Brotkruste erhielten, wurde eine geringfügig verminderte Bildung von AAVal-Hb-Addukten im Vergleich zu den AA-TW-Gruppen beobachtet. Nach Aufnahme von Acrylamid über Pommes frites wurde kein signifikanter Unterschied in der Gesamtausscheidung an Mercaptursäuren im Vergleich zur Gabe in Trinkwasser mittels Schlundsondierung (AA-TW-Gruppen) beobachtet, was auf eine vergleichbare Bioverfügbarkeit von Acrylamid hindeutet. Bei den mit Brotkruste gefütterten Tieren wurde eine im Vergleich zu AA-TW-Gruppen geringfügig erniedrigte Ausscheidung an AAMA beobachtet, was im Einklang mit der erniedrigten AA-Val-Bildung steht. Für die Ermittlung der Gesamtbilanz an Acrylamid-Ausscheidung aus dem Organismus wurde auch die Acrylamid- und Glycidamid-Ausscheidung im 24-Stunden-Sammelurin bestimmt. Die ausgeschiedenen Anteile an der verabreichten Tagesdosis leisten einen im Vergleich zu den Mercaptursäuren verhältnismäßig geringen Beitrag zur Gesamtausscheidung einer verabreichten Acrylamid-Dosis. Zur Untersuchung der Resorptionskinetik von Acrylamid bei Verabreichung über Pommes frites im Vergleich zur Aufnahme in Trinkwasser (Schlundsondierung) wurden über einen Zeitraum von 4 Stunden die Acrylamid- und Glycidamid-Gehalte in Rattenserum bestimmt. Insgesamt deutet der zeitliche Verlauf der Acrylamid-Serumkonzentration in der mit Pommes frites gefütterten Gruppe auf eine im Vergleich zur AA-TW-Gruppe verzögerte Freisetzung bzw. verlangsamte Resorption von Acrylamid im Gastrointestinaltrakt hin. Zur Abschätzung der Hintergrundbelastung mit Acrylamid wurden in 8 humanen Blutproben die Gehalte an Acrylamid- und Glycidamid-Hämoglobin-Addukten (AAVal, GAVal) sowie in 10 humanen Urinproben die Gehalte an Acrylamid- und Glycidamid-Mercaptursäuren (AAMA, GAMA) bestimmt. Bei den Rauchern wurden deutlich höhere AAVal-Gehalte im Vergleich zu Nichtrauchern gemessen, wohingegen die Gehalte an GAVal auf vergleichbarem Niveau lagen. Darüber hinaus wurde bei den Rauchern eine im Vergleich zu Nichtrauchern signifikant höhere Ausscheidung von AAMA und GAMA beobachtet, wobei die entsprechenden GAMA/AAMA-Verhältnisse bei Rauchern erniedrigt waren. Im Rahmen einer humanen Verzehrsstudie „Bedeutung der CYP450 2E1-Aktivität für die Toxikokinetik von Acrylamid beim Menschen“ wurden Addukte von Acrylamid und Glycidamid mit dem endständigen Valin des Hämoglobin bestimmt. Dabei wurde das Ausmaß der Addukt-Bildung bei 13 Probanden nach Aufnahme von ca. 1 mg Acrylamid über Kartoffel-Chips jeweils bei unbeeinflusster, gehemmter und induzierter CYP450 2E1-Aktivität untersucht. In der Referenzperiode ohne Komedikation wurde bei diesen Probanden ein Anstieg der AAVal-Gehalte um 8 ± 5 pmol/g Hb beobachtet. Ein im Vergleich zur R-Phase signifikant erhöhter AAVal-Anstieg (12 ± 5 pmol/g Hb) zeigte sich in der Testperiode T1, in der CYP450 2E1 durch Disulfiram gehemmt wurde. In der Testperiode T2, in der CYP450 2E1 durch eine Vorbehandlung mit Ethanol induziert wurde, wiesen die AAVal-Gehalte einen mit der R-Phase vergleichbaren Anstieg um 9 ± 5 pmol/g Hb auf. Für GAVal hingegen konnten aufgrund der größeren Messwertschwankungen keine signifikanten Veränderungen in der Testperiode T1 bzw. T2 im Vergleich zur Referenzperiode festgestellt werden. Darüber hinaus wurde bei 3 Probanden der zeitliche Verlauf der AAVal-Bildung in den jeweiligen Testperioden über einen Zeitraum von 24 Stunden untersucht. Die maximale AAVal-Konzentration wurde bei den untersuchten Probanden im Zeitraum von 8-10 Stunden erreicht, wobei anschließend ein Plateau-förmiger Verlauf der Bildungskurven beobachtet wurde.
Im Rahmen dieser Arbeit konnte die physiologische Funktion des AtENT1 weitestgehend aufgeklärt werden. Durch Untersuchungen an RNAi- und Überexpressionslinien konnte gezeigt werden, dass dieser Nukleosidtransporter in unterschiedlichen Geweben verschiedene Aufgaben erfüllt. Die verringerte Expression des AtENT1 in den RNAi-Pflanzen hat hauptsächlich Auswirkungen auf den Nukleotidhaushalt in Pollen. Diese zeigen eine geringere Keimungsrate, eine niedrigere Nukleosidaufnahme sowie verringerte Mengen an intra- und extrazellulärem ATP. Daraus kann man schließen, dass der AtENT1 eine wichtige Funktion in der Versorgung von Pollen mit Nukleosiden während der Entwicklung und zu Beginn der Keimung hat. Die veränderte Menge an eATP in den RNAi-Pollen führt möglicherweise zu einer veränderten Signaltransduktion, was ebenfalls ein Grund für die schlechtere Keimungsrate im Vergleich mit WT-Pollen sein könnte. Weiterhin deutet die verminderte Aufnahme von Adenosin in RNAi-Pollen darauf hin, dass AtENT1 in diesen Zellen in der Plasmamembran lokalisiert ist. Sowohl in Blatt-Rohextrakten als auch in isolierten Vakuolen der AtENT1-RNAi-Pflanzen konnte ein erhöhter Adenosingehalt festgestellt werden, während dieser in Blättern und Vakuolen der AtENT1-35S-Pflanzen deutlich verringert war. Weiterhin konnte an Liposomen mit rekostituiertem Tonoplastenprotein aus Überexpressionspflanzen ein höherer Adenosinexport verglichen mit Liposomen mit WT-Tonoplastenprotein beobachtet werden. Als wahrscheinlichste Quelle der Nukleoside konnte der in der Vakuole stattfindende RNA-Abbau mit Nukleosiden als End- und 2‘3‘-cAMP als Zwischenprodukt nachgewiesen werden. Ein gesteigerter Nukleosidtransport aus der Vakuole durch Überexpression des AtENT1 führt zu einem Anstieg der zytosolischen Nukleosidkonzentration. Als Reaktion darauf sind die Aktivitäten der Enzyme des „salvage pathway“ in den entsprechenden Mutanten erhöht. Ein Anstieg der zytosolischen Adenosinkonzentration führt durch Feedback-Inhibierung zu einer Verringerung der Transmethylierungsreaktionen. In der stärksten Überexpressionspflanze konnte, als Folge dieser Inhibierung, eine verringerte Zellwandmethylierung beobachtet werden. Betrachtet man alle Ergebnisse der Untersuchungen in vegetativem Gewebe ist eine Lokalisierung des AtENT1 im Tonoplasten sehr wahrscheinlich. Der letzte Teil der Arbeit befasste sich mit der biochemischen Charakterisierung der putativen Nukleosidtransporter StENT1 und StENT3 aus Solanum tuberosum. Dabei konnte gezeigt werden dass es sich beim StENT1 um einen hoch affinen Transporter für Purin- und Pyrimidinnukleoside handelt. Aufgrund der Ähnlichkeit der Transporteigenschaften zum AtENT1 und der ebenfalls vorhandenen möglichen Signalsequenz für eine tonoplastidäre Lokalisierung könnte StENT1 auch ein physiologisches Homolog zum AtENT1 sein. StENT3 vermittelt einen hoch affinen, pyrimidinspezifischen Nukleosidtransport. Dieser Transporter könnte vor allem in Knollen für die Aufnahme von Pyrimidinen aus der Erde oder dem Phloem zuständig sein.
The Train Marshalling Problem consists of rearranging an incoming train in a marshalling yard in such a way that cars with the same destinations appear consecutively in the final train and the number of needed sorting tracks is minimized. Besides an initial roll-in operation, just one pull-out operation is allowed. This problem was introduced by Dahlhaus et al. who also showed that the problem is NP-complete. In this paper, we provide a new lower bound on the optimal objective value by partitioning an appropriate interval graph. Furthermore, we consider the corresponding online problem, for which we provide upper and lower bounds on the competitiveness and a corresponding optimal deterministic online algorithm. We provide an experimental evaluation of our lower bound and algorithm which shows the practical tightness of the results.
In the generalized max flow problem, the aim is to find a maximum flow in a generalized network, i.e., a network with multipliers on the arcs that specify which portion of the flow entering an arc at its tail node reaches its head node. We consider this problem for the class of series-parallel graphs. First, we study the continuous case of the problem and prove that it can be solved using a greedy approach. Based on this result, we present a combinatorial algorithm that runs in O(m*m) time and a dynamic programming algorithm with running time O(m*log(m)) that only computes the maximum flow value but not the flow itself. For the integral version of the problem, which is known to be NP-complete, we present a pseudo-polynomial algorithm.
Ever since Mark Weiser’s vision of Ubiquitous Computing the importance of context has increased in the computer science domain. Future Ambient Intelligent Environments will assist humans in their everyday activities, even without them being constantly aware of it. Objects in such environments will have small computers embedded into them which have the ability to predict human needs from the current context and adapt their behavior accordingly. This vision equally applies to future production environments. In modern factories workers and technical staff members are confronted with a multitude of devices from various manufacturers, all with different user interfaces, interaction concepts and degrees of complexity. Production processes are highly dynamic, whole modules can be exchanged or restructured. Both factors force users to continuously change their mental model of the environment. This complicates their workflows and leads to avoidable user errors or slips in judgement. In an Ambient Intelligent Production Environment these challenges have to be approached. The SmartMote is a universal control device for ambient intelligent production environments like the SmartFactoryKL. It copes with the problems mentioned above by integrating all the user interfaces into a single, holistic and mobile device. Following an automated Model-Based User Interface Development (MBUID) process it generates a fully functional graphical user interface from an abstract task-based description of the environment during run-time. This work introduces an approach to integrating context, namely the user’s location, as an adaptation basis into the MBUID process. A Context Model is specified, which stores location information in a formal and precise way. Connected sensors continuously update the model with new values. The model is complemented by a reasoning component which uses an extensible set of rules. These rules are used to derive more abstract context information from basic sensor data and for providing this information to the MBUID process. The feasibility of the approach is shown by using the example of Interaction Zones, which let developers describe different task models depending on the user’s location. Using the context model to determine when a user enters or leaves a zone, the generator can adapt the graphical user interface accordingly. Context-awareness and the potential to adapt to the current context of use are key requirements of applications in ambient intelligent environments. The approach presented here provides a clear procedure and extension scheme for the consideration of additional context types. As context has significant influence on the overall User Experience, this results not only in a better usefulness, but also in an improved usability of the SmartMote.
Optimal control methods for the calculation of invariant excitation signals for multibody systems
(2010)
Input signals are needed for the numerical simulation of vehicle multibody systems. With these input data, the equations of motion can be integrated numerically and some output quantities can be calculated from the simulation results. In this work we consider the corresponding inverse problem: We assume that some reference output signals are available, typically gained by measurement and focus on the task to derive the input signals that produce the desired reference output in a suitable sense. If the input data is invariant, i.e., independent of the specific system, it can be transferred and used to excite other system variants. This problem can be formulated as optimal control problem. We discuss solution approaches from optimal control theory, their applicability to this special problem class and give some simulation results.
In the classical Merton investment problem of maximizing the expected utility from terminal wealth and intermediate consumption stock prices are independent of the investor who is optimizing his investment strategy. This is reasonable as long as the considered investor is small and thus does not influence the asset prices. However for an investor whose actions may affect the financial market the framework of the classical investment problem turns out to be inappropriate. In this thesis we provide a new approach to the field of large investor models. We study the optimal investment problem of a large investor in a jump-diffusion market which is in one of two states or regimes. The investor’s portfolio proportions as well as his consumption rate affect the intensity of transitions between the different regimes. Thus the investor is ’large’ in the sense that his investment decisions are interpreted by the market as signals: If, for instance, the large investor holds 25% of his wealth in a certain asset then the market may regard this as evidence for the corresponding asset to be priced incorrectly, and a regime shift becomes likely. More specifically, the large investor as modeled here may be the manager of a big mutual fund, a big insurance company or a sovereign wealth fund, or the executive of a company whose stocks are in his own portfolio. Typically, such investors have to disclose their portfolio allocations which impacts on market prices. But even if a large investor does not disclose his portfolio composition as it is the case of several hedge funds then the other market participants may speculate about the investor’s strategy which finally could influence the asset prices. Since the investor’s strategy only impacts on the regime shift intensities the asset prices do not necessarily react instantaneously. Our model is a generalization of the two-states version of the Bäuerle-Rieder model. Hence as the Bäuerle-Rieder model it is suitable for long investment periods during which market conditions could change. The fact that the investor’s influence enters the intensities of the transitions between the two states enables us to solve the investment problem of maximizing the expected utility from terminal wealth and intermediate consumption explicitly. We present the optimal investment strategy for a large investor with CRRA utility for three different kinds of strategy-dependent regime shift intensities – constant, step and affine intensity functions. In each case we derive the large investor’s optimal strategy in explicit form only dependent on the solution of a system of coupled ODEs of which we show that it admits a unique global solution. The thesis is organized as follows. In Section 2 we repeat the classical Merton investment problem of a small investor who does not influence the market. Further the Bäuerle-Rieder investment problem in which the market states follow a Markov chain with constant transition intensities is discussed. Section 3 introduces the aforementioned investment problem of a large investor. Besides the mathematical framework and the HJB-system we present a verification theorem that is necessary to verify the optimality of the solutions to the investment problem that we derive later on. The explicit derivation of the optimal investment strategy for a large investor with power utility is given in Section 4. For three kinds of intensity functions – constant, step and affine – we give the optimal solution and verify that the corresponding ODE-system admits a unique global solution. In case of the strategy-dependent intensity functions we distinguish three particular kinds of this dependency – portfolio-dependency, consumption-dependency and combined portfolio- and consumption-dependency. The corresponding results for an investor having logarithmic utility are shown in Section 5. In the subsequent Section 6 we consider the special case of a market consisting of only two correlated stocks besides the money market account. We analyze the investor’s optimal strategy when only the position in one of those two assets affects the market state whereas the position in the other asset is irrelevant for the regime switches. Various comparisons of the derived investment problems are presented in Section 7. Besides the comparisons of the particular problems with each other we also dwell on the sensitivity of the solution concerning the parameters of the intensity functions. Finally we consider the loss the large investor had to face if he neglected his influence on the market. In Section 8 we conclude the thesis.
Mechanical and electrical properties of carbon nanofiber–ceramic nanoparticle–polymer composites
(2010)
The present research is focused on the manufacturing and analysis of composites consisting of a thermosetting polymer reinforced with fillers of nanometric dimensions. The materials were chosen to be an epoxy resin matrix and two different kinds of fillers: electrically conductive carbon nanofibers (CNFs) and ceramic titanium dioxide (TiO2) and aluminium dioxide (Al2O3) nanoparticles. In an initial step of the work, in order to understand the effect that each kind of filler had when added separately to the polymer matrix, CNF–EP and ceramic nanoparticle–EP composites were manufactured and tested. Each type of filler was dispersed in the polymer matrix using two different dispersion technologies. CNFs were dispersed in the resin with the aid of a three roll calender (TRC) whereas a torus bead mill (TML) was used in the ceramic nanoparticle case. Calendering proved to be an efficient method to disperse the untreated CNFs in the polymer matrix. The study of the physical properties of undispersed CNF composites showed that the tensile strength and the maximum sustained strain, were more sensitive to the state of dispersion of the nanofibers than the elastic modulus, fracture toughness, impact energy and electrical conductivity (for filler loadings above the percolation threshold of the system). Rheological investigation of the uncured CNF–epoxy mixture at different stages of dispersion indicated the formation of an interconnected nanofiber network within the matrix after the initial steps of calendering. CNF–EP composites showed better mechanical performance than the unmodified polymer matrix. However, the tensile modulus and strength of the CNF composites accused the presence of remaining nanofiber clusters and did not reach theoretically predicted values. Fracture toughness and resistance against impact did not seem to be so sensitive to the state of nanofiber dispersion and improved consistently with the incorporation of the CNFs. The electrical conductivity of the CNF composites saw an eight orders of magnitude percolative enhancement with increasing nanofiber content. The percolation threshold for the achieved level of CNF dispersion was found to be 0.14 vol. %. It was also determined that, for these composites, the main mechanism of electrical transmission was the electron tunnelling mechanism. Ceramic nanoparticle–EP composites were manufactured using TiO2 and Al2O3 particles as fillers in the epoxy matrix. Mechanical dispersion of the nanoparticles in the liquid polymer by means of a torus bead mill dissolver led to homogeneous distributions of particles in the matrix. Remaining particle agglomerates had a mean value of 80 nm. However, micrometer sized agglomerates could clearly be observed in the microscopical analysis of the composites, especially in the TiO2 case. The inclusion of the nanoparticles in the epoxy resin resulted in a general improvement of the modulus, strength, maximum sustained strain, fracture toughness and impact energy of the polymer matrix. Nanoparticles were able to overcome the stiffness/toughness problem. On the other hand, nanoparticle–EP composites showed lower electrical conductivity than the neat epoxy. In general, there were no significant differences between the incorporation of TiO2 or Al2O3 particles. Based on the previous results, CNFs and nanoparticles were combined as fillers to create a nanocomposite that could benefit from the electrical properties provided by the conductive CNFs and, at the same time, have improved mechanical performance thanks to the presence of the well dispersed ceramic nanoparticles. Nanoparticles and CNFs were dispersed separately to create two batches which were blended together in a dissolver mixer. This method proved effective to create well dispersed CNF–nanoparticle–epoxy composites which showed improved electrical and mechanical properties compared with the neat polymer matrix. The well dispersed ceramic nanofillers were able to introduce additional energy dissipating mechanisms in the CNF–EP composites that resulted in an improvement of their mechanical performance. With high volume loadings of nanoparticles most of the reinforcement came from the presence of the nanoparticles in the polymer matrix. Therefore, the observed trends were, in essence, similar to the ones observed in the ceramic nanoparticle–EP composites. The enhancement in the mechanical performance of the CNF composites with the inclusion of ceramic nanoparticles came at the price of an increase in the percolation threshold and a reduction of the electrical conductivity of the CNF–nanoparticle–EP composites compared with the CNF–EP materials. A modified Weber and Kamal’s fiber contact model (FCM) was used to explain the electrical behaviour of the CNF–nanoparticle–EP composites once percolation was achieved. This model was able to fit rather accurately the experimentally measured conductivity of these composites.
Model-based fault diagnosis and fault-tolerant control for a nonlinear electro-hydraulic system
(2010)
The work presented in this thesis discusses the model-based fault diagnosis and fault-tolerant control with application to a nonlinear electro-hydraulic system. High performance control with guaranteed safety and reliability for electro-hydraulic systems is a challenging task due to the high nonlinearity and system uncertainties. This thesis developed a diagnosis integrated fault-tolerant control (FTC) strategy for the electro-hydraulic system. In fault free case the nominal controller is in operation for achieving the best performance. If the fault occurs, the controller will be automatically reconfigured based on the fault information provided by the diagnosis system. Fault diagnosis and reconfigurable controller are the key parts for the proposed methodology. The system and sensor faults both are studied in the thesis. Fault diagnosis consists of fault detection and isolation (FDI). A model-base residual generating is realized by calculating the redundant information from the system model and available signal. In this thesis differential-geometric approach is employed, which gives a general formulation of FDI problem and is more compact and transparent among various model-based approaches. The principle of residual construction with differential-geometric method is to find an unobservable distribution. It indicates the existence of a system transformation, with which the unknown system disturbance can be decoupled. With the observability codistribution algorithm the local weak observability of transformed system is ensured. A Fault detection observer for the transformed system can be constructed to generate the residual. This method cannot isolated sensor faults. In the thesis the special decision making logic (DML) is designed based on the individual signal analysis of the residuals to isolate the fault. The reconfigurable controller is designed with the backstepping technique. Backstepping method is a recursive Lyapunov-based approach and can deal with nonlinear systems. Some system variables are considered as ``virtual controls'' during the design procedure. Then the feedback control laws and the associate Lyapunov function can be constructed by following step-by-step routine. For the electro-hydraulic system adaptive backstepping controller is employed for compensate the impact of the unknown external load in the fault free case. As soon as the fault is identified, the controller can be reconfigured according to the new modeling of faulty system. The system fault is modeled as the uncertainty of system and can be tolerated by parameter adaption. The senor fault acts to the system via controller. It can be modeled as parameter uncertainty of controller. All parameters coupled with the faulty measurement are replaced by its approximation. After the reconfiguration the pre-specified control performance can be recovered. FDI integrated FTC based on backstepping technique is implemented successfully on the electro-hydraulic testbed. The on-line robust FDI and controller reconfiguration can be achieved. The tracking performance of the controlled system is guaranteed and the considered faults can be tolerated. But the problem of theoretical robustness analysis for the time delay caused by the fault diagnosis is still open.
2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin (TCDD) wurde im Jahr 1997 von der International Agency for Research on Cancer als Gruppe 1 Kanzerogen eingestuft, obwohl die molekularen Mechanismen der kanzerogenen Wirkung von TCDD bislang nicht vollständig geklärt werden konnten. TCDD zeigte im Tierversuch ein erhöhtes hepatokarzinogenes Potential an Ratten, und im Initiations-Promotions-Modell in der Rattenleber konnte TCDD eine starke tumorpromovierende Wirkung zugeschrieben werden. Eine Reihe von Studien zeigten sowohl in vivo als auch in vitro in unterschiedlichen Zellsystemen eine Hemmung des durch verschiedene Stimuli induzierten programmierten Zelltodes, der Apoptose durch TCDD. Diese antiapoptotische Wirkung wird als ein möglicher Mechanismus für die Tumorpromotion von TCDD diskutiert. In der vorliegenden Arbeit sollte der Mechanimus der Apoptose-Hemmung durch TCDD in Leberzellsystemen der Ratte und des Menschen untersucht werden. Außerdem sollte die Frage geklärt werden, ob die anti-apoptotische Wirkung dieses Fremdstoffes über den Arylhydrokarbon-Rezeptor (AhR) vermittelt wird. Die Aufklärung der bislang noch unbekannten molekularen Mechanismen der TCDDvermittelten Kanzerogenese könnte die Risikobewertung einer TCDD-Exposition des Menschen auf eine erheblich solidere Basis stellen als bisher. Es konnte sowohl in primären Rattenhepatozyten als auch in der humanen Hepatomzelllinie Huh-7 bestätigt werden, dass TCDD die durch UVC-Licht induzierte Apoptose hemmt. Dies wurde auf Ebene der DNS-Fragmentierung und an Hand morphologischer Veränderungen des Zellkerns gezeigt. In den Primärhepatozyten war der anti-apoptotische Effekt von TCDD abhängig von einer Aktivierung des AhR. Die Apoptose durch die beiden Proteinbiosynthese-Inhibitoren Ochratoxin A und Cycloheximid wurde im Gegensatz zur UVC-Licht-induzierten Apoptose nicht durch TCDD gehemmt. Dies lässt den Schluss zu, dass eventuell die Neusynthese eines durch den AhR induzierten Proteins für die Hemmung der Apoptose in diesen Zellen nötig ist. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass entgegen früherer Studien, eine Hemmung der Aktivität des Tumorsuppressors p53 vermutlich nicht für die Apoptosehemmung durch TCDD verantwortlich ist. TCDD-bedingte Änderungen in der Expression von an der Apoptose beteiligten Genen ließen die Vermutung zu, dass diese Substanz zu einer Aktivierung des anti226 apoptotischen Transkriptionsfaktors NF-κB führt. Dies würde letztendlich zu einer Hemmung der Caspase-abhängigen Apoptosewege führen. Es konnte dennoch keine Wirkung des Fremdstoffes auf die Charakteristiken der durch UVC-Licht induzierten Caspasen-abhängigen Apoptose beobachtet werden. Weder wurden die proteolytische Aktivierung, noch die katalytische Aktivität von Caspasen oder die Spaltung von Caspasensubstraten durch TCDD moduliert. Daher wurde angenommen, dass TCDD im Signalweg der Apoptose zwischen der Caspasenaktivität und der apoptotischen DNS-Fragmentierung wirken müsste. Auf Grund dieser Hypothese wurde der Einfluss der Testsubstanz auf die Charakteristiken apoptotischer Nukleasen untersucht. Weder konnte eine verringerte Proteinmenge an Endonuklease G oder Caspase-aktivierter DNase (CAD) festgestellt werden, noch wurde die Aktivität rekombinant exprimierter CAD durch TCDD moduliert. In isolierten Zellkernen primärer Rattenhepatozyten konnte eine intrinsische Nukleaseaktivität identifiziert werden, die Calcium- und Magnesium-abhängig war und vermutlich durch nicht-physiologische Konzentrationen an monovalenten Ionen aktiviert wird. TCDD besaß eine hemmende Wirkung auf diese Nukleaseaktivität. Es erscheint plausibel, dass TCDD die apoptotische DNS-Fragmentierung über einen bisher unbekannten, AhR-abhängigen Mechanismus hemmt, und damit trotz einer Initiation der Apotpose die Integrität der DNS aufrecht erhält, um der Zelle die Möglichkeit zur Entgiftung von Aktivatoren des Fremdstoffmetabolismus zu geben. Diese Zellen könnten sich nach Entzug des pro-apoptotischen Stimulus letztendlich wieder erholen. Da solche Zellen DNS-Schäden tragen können, durch die sie unter normalen Umständen in die Apoptose getrieben worden wären, könnte dieser Mechanismus schließlich eine Rolle in der Tumorpromotion durch TCDD und verwandte Verbindungen spielen.
Mit dem vorliegende Projekt sollten die Voraussetzungen dafür geschaffen werden, filigrane Fassadenplatten aus Hochleistungsbeton im Fertigteilbau realisieren zu können. Konventionelle Befestigungsmittel (Dübel, Anker) scheiden wegen der geringen Materialstärke weitgehend aus. Bestehende Systeme mit Klebtechnik erfordern eine aufwändige metallische Unterkonstruktion aus nichtkorrosivem Material. Zudem erweist sich die Montage als schwierig, sodass sich diese Systeme in der Praxis bisher nicht durchgesetzt haben. Die hier vorgeschlagene Lösung baut auf eine punktförmige Befestigung der Fassadenplatten mittels Klebtechnik auf. Die Klebanker (d = 12 mm) aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GfK) werden zusammen mit einer Tragschale und Wärmedämmung hergestellt und dann mittels Wendetechnik im Fertigteilwerk rückseitig auf die Fassadenplatten geklebt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiger Über- und Unterdruckversuchsstand entwickelt. Zusätzlich wurden neue Zug-, Scher- und Interaktions-Versuchsstände für Klebversuche an Platten konzipiert. Die Biegezugfestigkeit des Glasfaserbetons wurde in Abhängigkeit von der Zeit untersucht. Das Trag- und Verformungsverhalten der GfK-Stäbe wurde in Abhängigkeit von der Zeit ausgewertet und ausgewählt. Wie die Untersuchungen zeigen, können bis zu 2,7 x 3,5 m große Fassadenplatten realisiert werden, wenn die Klebanker einen Gelenkkopf erhalten, der die Verformungsbehinderung der Fassadenplatte reduziert. Das Langzeittragverhalten der GfK-Anker, das aus dem Zulassungsverfahren der verwendeten Schöck ComBAR® bekannt ist, wurde berücksichtigt. Ein Ankerraster von 500 x 500 mm hat sich als wirtschaftlich sinnvoll ergeben. Für die Fassadenplatten werden wegen der besseren Tragfähigkeit der Klebverbindung hochfeste Betone „Referenzbeton 1“ den Glasfaserbetonen „Referenzbeton 2“ vorgezogen. Fertigungsbedingte Schwankungen der Klebfugendicke im Bereich von 1 mm bis 5 mm können ohne signifikante Festigkeitseinbußen toleriert werden. Die durchgeführten mechanischen Versuche und Berechnungen zeigen, dass die Standsicherheit des Fassadensystems bei entsprechender Dimensionierung der Klebflächen gegeben ist.
Die Paarungsstörung mit Pheromonen ist ein etabliertes Verfahren der ökologischen Schädlingsbekämpfung in vielen Bereichen der Landwirtschaft. Um dieses Verfahren zu optimieren, ist es erforderlich, genauere Erkenntnisse über die Verteilung des Pheromons über den behandelten Agrarflächen zu erhalten. Die Messung dieser Duftstoffe mit dem EAG-System ist eine Methode, mit der man schnell und zuverlässig Pheromonkonzentrationen im Freiland bestimmen kann. Diese Arbeit beschreibt Beiträge, die zur Weiterentwicklung des Systems von großer Bedeutung sind. Die Steuerung des Messablaufs durch eine Ablaufdatei, die erst zur Laufzeit ins Programm geladen wird, ermöglicht eine zeitgenaue und flexible Steuerung des Messsystems. Die Auswertung der Messergebnisse wird durch Methoden der Gesamtdarstellung der Konzentrationsberechnung und durch rigorose Fehlerbetrachtung auf eine solide Grundlage gestellt. Die für die Konzentrationsberechnung erforderlichen Grundvoraussetzungen werden anhand experimenteller Beispiele ausführlich erläutert und verfiziert. Zusätzlich wird durch ein iteratives Verfahren die Konzentrationsberechnung von der mathematischen oder empirischen Darstellung der Dosis-Wirkungskurve unabhängig gemacht. Zur Nutzung einer erweiterten EAG-Apparatur zur Messung komplexer Duftstoffgemische wurde das Messsystem im Bereich der Steuerung und der Auswertung tiefgreifend umgestaltet und vollständig einsatztauglich gemacht. Dazu wurde das Steuerungssystem erweitert, das Programm für die Messwerterfassung neu strukturiert, eine Methode zur Konzentrationsberechnung für Duftstoffgemische entwickelt und in einer entsprechenden Auswertesoftware implementiert. Das wichtigste experimentelle Ergebnis besteht in der Durchführung und Auswertung einer speziellen Messung, bei der das EAG-System parallel mit einer klassischen Gaschromatograph-Methode eingesetzt wurde. Die Ergebnisse ermöglichen erstmals eine absolute Festlegung der Konzentrations-Messergebnisse des EAG-Messsystems für das Pheromon des Apfelwicklers. Bisher konnten nur Ergebnisse in Relativen Einheiten angegeben werden.
The scope of this paper is to enhance the model for the own-company stockholder (given in Desmettre, Gould and Szimayer (2010)), who can voluntarily performance-link his personal wealth to his management success by acquiring stocks in the own-company whose value he can directly influence via spending work effort. The executive is thereby characterized by a parameter of risk aversion and the two work effectiveness parameters inverse work productivity and disutility stress. We extend the model to a constant absolute risk aversion framework using an exponential utility/disutility set-up. A closed-form solution is given for the optimal work effort an executive will apply and we derive the optimal investment strategies of the executive. Furthermore, we determine an up-front fair cash compensation applying an indifference utility rationale. Our study shows to a large extent that the results previously obtained are robust under the choice of the utility/disutility set-up.