-- / One of the most important parameters that affect the mechanical response of composites is the quality of the interfacial bond between the matrix and the reinforcing material. Therefore, the aim of the present work is to investigate the effect of fatigue loading on the integrity of the interfacial bond in fibre-reinforced plastics in microscopic level using the laser Raman spectroscopy technique.

Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η μοντελοποίηση στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα και συγκεκριμένα υποστυλώματα μονολιθικά αλλά και ενισχυμένα με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Τα δοκίμια τα οποία εξετάζονται έχουν υποβληθεί σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση στο Εργαστήριο Κατασκευών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών και τα αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της αξιοπιστίας των αναλύσεων. Τα μοντέλα που κατασκευάστηκαν έχουν την δυνατότητα να λαμβάνουν υπόψιν την σχετική ολίσθηση μεταξύ του χάλυβα οπλισμού και του σκυροδέματος και επομένως και την εξόλκευση των ράβδων οπλισμού από το πέδιλο. Ωστόσο στα ενισχυμένα δοκίμια εξετάζονται διαφορετικοί τρόποι μοντελοποίησης της διεπιφάνειας μεταξύ παλαιού και νέου σκυροδέματος. Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας παρουσιάζονται ορισμένα γενικά θεωρητικά θέματα σχετικά με τις ενισχύσεις και επισκευές στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα και κυρίως υποστυλωμάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφέρονται λίγα πράγματα για την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και στην συνέχεια γίνεται μια σύντομη περιγραφή του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων ANSYS και των δυνατοτήτων που έχει. Στο τρίτο κεφάλαιο υπάρχει λεπτομερής περιγραφή των παραδοχών καθώς και των στοιχείων που χρησιμοποιούνται για την μοντελοποίηση στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα. Στο τέταρτο κεφάλαιο πραγματοποιείται μία βιβλιογραφική ανασκόπηση με σκοπό την τεκμηρίωση παραδοχών που χρησιμοποιούνται για την καλύτερη πρόβλεψη της συμπεριφοράς στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται δύο αναλυτικές προσεγγίσεις του φαινομένου της εξόλκευσης των ράβδων οπλισμού από το πέδιλο. Η περιγραφή των πειραματικών δοκιμών που πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Κατασκευών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, τα αποτελέσματα των οποίων χρησιμοποιούνται, για τον έλεγχο της αξιοπιστίας των αναλύσεων, πραγματοποιείται στο κεφάλαιο έξι. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των αναλύσεων που πραγματοποιήθηκαν για τρία μονολιθικά δοκίμια. Επιπλέον εξετάζεται και ένας εναλλακτικός απλοποιητικός τρόπος μοντελοποίησης με τον οποίο θεωρείται πλήρης συνάφεια χάλυβα – σκυροδέματος. Χρησιμοποιώντας την παραδοχή αυτή, αγνοείται το φαινόμενο της εξόλκευσης των ράβδων από το πέδιλο. Για το λόγο αυτό πραγματοποιείται και μια αναλυτική προσέγγιση της πρόσθετης μετατόπισης λόγω της εξόλκευσης και προκύπτουν τα τελικά αποτελέσματα τα οποία είναι αντίστοιχα με αυτά στα οποία γίνεται θεώρηση σχετικής ολίσθησης χάλυβα – σκυροδέματος. Στο όγδοο κεφάλαιο εξετάζονται πέντε ενισχυμένα δοκίμια. Παρουσιάζονται τρεις διαφορετικοί τρόποι μοντελοποίησης της διεπιφάνειας μεταξύ παλαιού – νέου σκυροδέματος γίνονται, ενώ προσομοιώνεται και η δράση βλήτρου κάνοντας χρήση ειδικών πολυγραμμικών ελατηρίων. Στην συνέχεια παρουσιάζονται τέσσερις διαφορετικού τρόποι για την έμμεση προσομοίωση της επίδρασης της ανακύκλισης στην συμπεριφορά της διεπιφάνειας. Επιπλέον εξετάζεται και η επίδραση της ανακυκλιζόμενης φόρτισης στην δράση του βλήτρου. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται τόσο με τα αντίστοιχα πειραματικά όσο και με αυτά στα οποία αγνοείται η επίδραση της ανακύκλισης. Τέλος στο ένατο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα τελικά συμπεράσματα που προέκυψαν καθώς και οι προτάσεις για μελλοντική έρευνα. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα εργασία είναι αρχικά, ότι η επιδραση του φαινομένου της εξόλκευσης στην συμπεριφορά των υποστυλωμάτων είναι αρκετά σημαντική. Ωστόσο τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την ανάλυση που συμπεριλάμβανε το φαινόμενο αυτό καθώς και τα αντίστοιχα που προέκυψαν από τον συνδυασμό της απλοποιητικής ανάλυσης (πλήρη συνάφεια χάλυβα – σκυροδέματος) σε συνδυασμό με την αναλυτική μέθοδο είναι αρκετά ικανοποιητικά και προσεγγίζουν σχετικά καλά την περιβάλλουσα που προκύπτει από τα πειραματικά αποτελέσματα. Από τα αποτελέσματα που προέκυψαν για τα ενισχυμένα δοκίμια φαίνεται η επίδραση των χαρακτηριστικών της διεπιφάνειας στην συμπεριφορά των ενισχυμένων στοιχείων καθώς και η συμβολή των βλήτρων τόσο στην γενικότερη συμπεριφορά όσο και στην μείωση της ολίσθησης στην διεπιφάνεια. Ωστόσο σύμφωνα με τα αποτελέσματα η επίδραση της ανακύκλισης της φόρτισης είναι αρκετά σημαντική και επηρεάζει την συμπεριφορά του στοιχείου. / This thesis examines the simulation of reinforced concrete elements. In particular, the finite element method is used to investigate the behaviour of monolithic and strengthened columns that were tested under cyclic loading in the Structural Laboratory of the Department of Civil Engineering at the University of Patras. The reliability of the analytical models is examined by comparing experimental and numerical results. The numerical models created included modelling the sliding between the reinforcing steel and the concrete, the consequence of bar elongation and the total extension of a reinforcing bar at a particular point in relation to the surrounding concrete. Therefore, for strengthened specimens, different ways of modelling the interface between old and new concrete are examined. The first chapter presents some theoretical models for the strengthening and repair of reinforced concrete elements with particular reference to reinforced concrete columns. A brief review of the finite element method and the finite element program ANSYS is presented in the second chapter. The third chapter presents a detailed description of the basic assumptions and the elements that were used to model reinforced concrete members. A literature review is presented in the fourth chapter in order to explain assumptions and to describe the elements that were used for the models. Two analytical approaches for the phenomenon of bar elongation are presented in the fifth chapter. A description of the experimental tests performed in the Structural Laboratory of the Department of Civil Engineering at the University of Patras and the experimental results that were used to examine the reliability of the numerical results is presented in chapter six. In the seventh chapter, the results of the analysis of three monolithic specimens are presented. In this way, a simplified method is examined by considering a perfect bond between the steel and the concrete. By using this assumption, the phenomenon of bar elongation is neglected. In addition, an analytical approach for the supplementary deflection due to bar elongation is presented and the total result, including the supplement deflection, is similar to that using the assumption of relative slip between the steel and the concrete. Five strengthened columns are investigated in the eighth chapter. Three different methods of modelling the interface between the old and the new concrete are proposed and the presence of dowels is simulated by using special multi-linear springs. Therefore, four different processes for the simulation of the effect of cyclic loading on the behaviour at the interface are proposed. Furthermore, the effect of cyclic loading on the behaviour of dowels is examined. The results are compared to the relevant experimental results and to results where the effects of cyclic loading are neglected. Finally, the ninth chapter presents results and recommendations for further research. One conclusion that arises from this thesis is that the effect of bar elongation on the behaviour of reinforced concrete columns is quite significant. It was found that the results from the analysis that took into account bar elongation due to relative slippage and the analysis using the simplified method (perfect bond between steel and concrete) in combination with the supplementary deflection due to the bar elongation calculated using analytical methods are similar to the experimental results. Using the results of the strengthened specimens that have been presented, the effect of the properties at the interface and the contribution of the dowels on the behaviour of the strengthened specimens and in the reduction of sliding on the interface can been noted. However, according to the results, it must be stressed that the effects of cyclic loading are significant and affects the behaviour of the model.

Η κατασκευή συσκευών μικροηλεκτρονικής με οργανικούς ημιαγωγούς όπως τρανζίστορς και φωτοεκπομποί δίοδοι οργανικών (FETs, OLEDs), αναπτύσσεται ταχύτατα τα τελευταία χρόνια. Οι φυσικές και χημικές αλληλεπιδράσεις που συμβαίνουν στις διεπιφάνειες των οργανικών με τα ηλεκτρόδια παίζουν καθοριστικό ρόλο στη λειτουργία τέτοιων συσκευών και επομένως η μελέτη της διεπιφανειακής ηλεκτρονικής δομής είναι σημαντική για την κατανόηση της λειτουργίας αυτών των διατάξεων. Στην παρούσα εργασία η ηλεκτρονική δομή των διεπιφανειών ενός συζυγιακού ολιγομερούς (Ooct-OPV5) με ανόργανα υποστρώματα, συγκεκριμένα το οξείδιο Ινδίου-Κασσιτέρου (ITO), τον πολυκρυσταλλικό Au, την επιφάνεια Si(111) (Si με προσμίξεις τύπου –Ν και -P) και υπέρλεπτα υμένια SiO2(1-5 nm) / Si(111), μελετήθηκε με φασματοσκοπίες φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες –Χ και υπεριώδες (XPS, UPS). Το Ooct-OPV5 χρησιμοποιείται ως πρότυπο για το poly(p-phenylenevinylene) (PPV), ένα πολυμερές που έχει ήδη χρησιμοποιηθεί σε συσκευές OLEDs. Το ITO χρησιμοποιείται ως άνοδος στα OLEDs επειδή είναι διαφανές και έχει υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Ο χρυσός είναι αδρανές υπόστρωμα που χρησιμοποιείται ως ηλεκτρόδιο στα FETs. Τέλος, η μελέτη διεπιφανειών του οργανικού με το Si παρουσιάζει ενδιαφέρον, προκειμένου να ενσωματωθούν οι οργανικοί ημιαγωγοί σε μικροηλεκτρονικές συσκευές με βάση το Si. Η μελέτη έγινε σε σύστημα υπερυψηλού κενού (UHV) με τις τεχνικές XPS και UPS. Τα υποστρώματα καθαρίζονταν in-situ με ιοντοβολή με Ar+ και θέρμανση. Ακολούθως γινόταν σταδιακή απόθεση του ολιγομερούς και παρασκευάζονταν υπέρλεπτα υμένια (πάχους ~10 nm) πάνω στα καθαρά υποστρώματα. Σε κάθε στάδιο της απόθεσης λαμβάνονταν τα φάσματα XPS του οργανικού και των υποστρωμάτων. Από την ανάλυση των φασμάτων αυτών προσδιορίζονται οι διεπιφανειακές αλληλεπιδράσεις και η μεταβολή της κάμψης των ζωνών των ημιαγώγιμων υλικών. Με τη φασματοσκοπία UPS μελετάται η ζώνη σθένους της διεπιφάνειας και μετράται η διεπιφανειακή διπολική στοιβάδα. Από το συνδυασμό των πειραματικών αποτελεσμάτων μπορούν να κατασκευάζονται σχηματικά διαγράμματα των ζωνών στις διεπιφάνειες. Με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα καταλήγουμε στα εξής συμπεράσματα: Στις διεπιφάνειες του ολιγομερούς με το ITO, τον Au, το Si (τύπου -p) και το SiO2(1-1.8 nm)/Si(111) υπάρχει διεπιφανειακή διπολική στοιβάδα (eD) ενώ στη διεπιφάνεια Ooct-OPV5/ Si (τύπου -n) όχι. Αυτά τα διεπιφανειακά δίπολα σχετίζονται με την ύπαρξη διεπιφανειακών καταστάσεων και εξυπηρετούν τη μεταφορά φορτίου μεταξύ των υλικών που έρχονται σε επαφή στα πρώτα στάδια του σχηματισμού των διεπιφανειών. Κατά το σχηματισμό της διεπιφάνειας Ooct-OPV5/ Si (τύπου - p), το eD σχετίζεται με την αλληλεπίδραση των μορίων του ολιγομερούς με τις επιφανειακές καταστάσεις του Si. Στις διεπιφάνειες Ooct-OPV5/ με Au και Si, η μεταφορά φορτίου ολοκληρώνεται με τη μεταβολή της κάμψης των ζωνών του οργανικού υμενίου κατά ~0.20 eV. Τα φράγματα έγχυσης οπών (eΦbh) ή τα valence band offsets (ΔEV) καθορίστηκαν επίσης σε όλες τις περιπτώσεις. Στη διεπιφάνεια Ooct-OPV5 / Au το eΦbh μετρήθηκε 1.05 eV και επομένως ο Au είναι ακατάλληλο ηλεκτρόδιο για την έγχυση οπών. Το ITO αποδεικνύεται επίσης ακατάλληλο (eΦbh=1.45 eV) και η επιφάνειά του θα πρέπει να υφίσταται κατεργασία προκειμένου να χρησιμοποιείται ως άνοδος σε συσκευές OLEDs. Στην περίπτωση του Si, το valence band offset μεταξύ αυτού και του ολιγομερούς βρέθηκε ~0.4 eV. Η παραπέρα τροποποίηση της επιφάνειας του Si(111) με υπέρλεπτα υμένια SiO2 αυξάνει το ΔEV κατά ~0.2 eV. / The development of organic-based devices, like transistors and light emitting diodes (FETs, OLEDs), is progressing rapidly over the past few years. A great deal of the physics and chemistry that govern the performance of such devices occur at the interfaces between the organic components and the inorganic electrodes, making the study of the interfacial electronic properties essential. In this work, the electronic structure of the interface formed between a conjugated oligomer (Ooct-OPV5) and inorganic substrates, ιn particular indium-tin oxide (ITO), polycrystalline Au, the Si(111) surface (Si n- and p-doped), and ultrathin (1-5 nm) SiO2 films on Si(111), was studied by X-ray and Ultraviolet photoelectron spectroscopies (XPS, UPS). Ooct-OPV5 is a model for poly(p-phenylenevinylene) (PPV), a polymer that has already been used in OLEDs. ITO is the common anode used in OLEDs because of its transparency and high electrical conductivity. Gold was chosen due to its inert nature and because it is used as a source/drain in FETs. Finally, the study of organic/silicon structures is of great importance for the incorporation of organics in Si-based microelectronic systems. All XPS and UPS measurements were carried out in an ultrahigh vacuum (UHV) apparatus. All substrates were cleaned in-situ by Ar+ sputtering and annealing. High purity oligomer films of up to ~10 nm thickness were produced in-situ by stepwise deposition on the clean substrates. The evolution of the oligomer and substrate-related XPS peaks was followed during Ooct-OPV5 deposition on all substrates. Analysis of these spectra clarified the interfacial chemistry and band bending in the semiconducting materials. UPS spectroscopy is used for the determination of the valence band at the interface and the interfacial dipoles. The interfacial energy band diagrams were deduced in all cases from the combination of experimental results. Based on our experimental data we reached the following conclusions: Dipoles are formed at the interfaces of the oligomer with ITO, Au, Si (p-doped) and SiO2(1-1.8 nm)/Si(111), while the Ooct-OPV5/ Si (n-doped) interface is dipole free. These interface dipoles (eD) are related to the existence of interfacial states and serve for the charge transfer between the materials in contact at the initial stages of the interface formation. In the case of the Ooct-OPV5/ Si (p-doped) interface, eD is related to the interaction of the oligomer molecules with Si surface states. At the Ooct-OPV5/Au and Si interfaces, the charge transfer is completed with a band bending of ~0.20 eV in the oligomer film. The hole injection barriers (eΦbh) or valence band offsets (ΔEV) were also determined in all interfaces. This barrier was measured 1.05 eV at the Ooct-OPV5/ Au interface, and thus Au is inappropriate electrode for hole injection. ITO is also proved a poor hole-injecting electrode (eΦbh=1.45 eV), and thus its surface should be modified by treatments when used as an anode in OLEDs. On the other hand, the valence band offset between the Si substrate and the oligomer is measured ~0.4 eV. Modification of the Si(111) surface with ultra-thin SiO2 layers increases ΔEV by ~0.2 eV.

Τις τελευταίες δεκαετίες το επιστημονικό ενδιαφέρον έχει στραφεί στη μελέτη οργανικών ημιαγώγιμων υλικών με σκοπό να κατασκευαστούν ηλεκτρονικές διατάξεις με χαμηλότερο κόστος και μεγαλύτερη απόδοση από τις εμπορικές διατάξεις με ανόργανους ημιαγωγούς, που κυκλοφορούν ήδη στην αγορά. Η οικογένεια των φθαλοκυανινών (Phthalocyanines, Pcs) ανήκει στα οργανικά υλικά που ανταγωνίζονται επάξια τους ανόργανους ημιαγωγούς στις εφαρμογές σε ηλεκτρονικές διατάξεις όπως φωτοεκπομπές δίοδοι (LEDs), τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FETs), φωτοβολταϊκά στοιχεία (PVs), ηλιακά στοιχεία (solar cells), αισθητήρες (sensors), διατάξεις αποθήκευσης πληροφορίας (data storage devices) και μπαταρίες (batteries). Τα υλικά αυτά είναι εύκαμπτα, εύκολα επεξεργάσιμα, με χαμηλό κόστος παρασκευής και αξιόλογη χημική και θερμική σταθερότητα, ενώ οι ηλεκτρικές και οπτικές τους ιδιότητες τα καθιστούν ελκυστικά υλικά για εφαρμογή στη μικροηλεκτρονική. Σε αυτού του είδους τις εφαρμογές παίζουν σημαντικό ρόλο οι φυσικές και χημικές αλληλεπιδράσεις που συμβαίνουν στις διεπιφάνειες μεταξύ των ενεργών οργανικών υμενίων και των υλικών που χρησιμοποιούνται ως ηλεκτρόδια, καθώς επηρεάζουν τη συμπεριφορά των διατάξεων ως προς την αγωγή του ρεύματος και επομένως τη λειτουργία τους. Καθίσταται επομένως σαφές ότι η μελέτη της ηλεκτρονικής δομής των οργανικών υμενίων και των διεπιφανειών που αυτά σχηματίζουν με μέταλλα, ανόργανους, αλλά και οργανικούς ημιαγωγούς είναι απαραίτητη και καθοριστική για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας των ηλεκτρονικών διατάξεων και για την εύρεση τρόπων βελτίωσης της απόδοσής τους. Στην παρούσα εργασία έγινε η πρώτη πειραματική μελέτη με φασματοσκοπίες φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες-Χ και υπεριώδη ακτινοβολία (XPS και UPS) της ηλεκτρονικής δομής μεταλλικών φθαλοκυανινών, νικελίου (NiPc) και κοβαλτίου (CoPc), και των διεπιφανειών που σχηματίζονται κατά την απόθεση, με θερμική εξάχνωση, του οργανικού αυτού υλικού πάνω σε διάφορα υποστρώματα, σε συνθήκες υπερυψηλού κενού. Αρχικά μελετήθηκαν υμένια NiPc πάνω σε φασματοσκοπικά καθαρή επιφάνεια φύλλου πολυκρυσταλλικού χρυσού (Au) και αργύρου (Ag). Η επιλογή των μετάλλων αυτών οφείλεται στην ευρεία εφαρμογή που έχουν ως ηλεκτρόδια ή υποστρώματα σε πολλές διατάξεις, όπως FETs και LEDs. Υμένια NiPc αποτέθηκαν επίσης πάνω σε οξείδιο ινδίου-κασσιτέρου (ITO), το οποίο αποτελεί υλικό ανόδου σε OLEDs εξαιτίας της υψηλής ηλεκτρικής αγωγιμότητας και της εξαιρετικής του διαπερατότητας στο ορατό, καθώς και σε κρύσταλλο Si(100) με σκοπό να διερευνηθεί αν η παρουσία NiPc ως επίστρωση στην επιφάνεια του πυριτίου μπορεί να βελτιώσει τη λειτουργία των ανόργανων ηλεκτρονικών διατάξεων όπως τα FETs. Τέλος, μελετήθηκε η αλληλεπίδραση μεταξύ NiPc και οργανικών υλικών όπως το PEDOT:PSS και το PEDOT:PTSA, που είναι μίγματα πολυμερών και τα οποία, σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, διευκολύνουν την έγχυση οπών σε μια διάταξη. Η χρήση του PEDOT:PTSA έχει στόχο να αντικαταστήσει σε διάφορες εφαρμογές το PEDOT:PSS του οποίου η σύνθεση είναι αρκετά περίπλοκη. Επίσης, μελετήθηκαν οι διεπιφάνειες μεταξύ υμενίων φθαλοκυανίνης κοβαλτίου (CoPc) και υποστρωμάτων πολυκρυσταλλικού χρυσού και ITO, με σκοπό να διερευνηθεί η επίδραση του κεντρικού μεταλλικού στοιχείου του μορίου της φθαλοκυανίνης, στη συμπεριφορά και τις ιδιότητες των διεπιφανειών με αντίστοιχα υποστρώματα. Από τα πειραματικά αποτελέσματα (XPS και UPS), προσδιορίζονται οι μεταβολές των ενεργειακών ζωνών των οργανικών και ανόργανων ημιαγωγών, η δομή της ζώνης σθένους και η τιμή του έργου εξόδου όλων των υλικών που χρησιμοποιούνται, καθώς και η θέση του υψηλότερου κατειλημμένου μοριακού τροχιακού (Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO) των οργανικών ημιαγωγών (NiPc, CoPc). Επίσης προσδιορίζονται η διεπιφανειακή διπολική ροπή (eD) και το φράγμα έγχυσης οπών (Φbh) στις σχηματιζόμενες διεπιφάνειες, μεγέθη τα οποία καθορίζουν και επηρεάζουν τη μεταφορά φορτίου μεταξύ των υλικών σε επαφή κατά τον σχηματισμό της διεπιφάνειας. Η μελέτη των παραπάνω διεπιφανειών έδειξε ότι καταλληλότερο ηλεκτρόδιο για την έγχυση οπών είναι το PEDOT:PSS, καθώς το ύψος του φράγματος έγχυσης οπών στη διεπιφάνεια με υμένιο NiPc προσδιορίστηκε ίσο με 0.5 eV και είναι χαμηλότερο από αυτό που δίνουν οι διεπιφάνειες με τα μέταλλα (~0.9 eV), το ITO (1.0 eV) αλλά και το PEDOT:PTSA (0.8 eV). Από τη μελέτη της διεπιφάνειας NiPc/Si προέκυψε ότι η επιφανειακή δομή του Si(100) πιθανόν να επηρεάζει την διάταξη των μορίων της NiPc, τα οποία στα πρώτα στάδια ενδεχομένως να αναπτύσσονται στρωματικά πάνω στο υπόστρωμα, με αποτέλεσμα τα χαρακτηριστικά του οργανικού υμενίου να σχηματίζονται πλήρως στις αρχικές αποθέσεις μέχρι τα ~2 μονοστρώματα (ML). Σε κανένα από τα υπό μελέτη συστήματα δεν παρατηρήθηκε χημική αντίδραση των οργανικών μορίων με το υπόστρωμα, ενώ διαπιστώθηκε αλληλεπίδραση μέσω μεταφοράς φορτίου με σκοπό την αποκατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας στη διεπιφάνεια. Επίσης, όλα τα συστήματα αποκλίνουν από τον κανόνα Schottky-Mott. Στη διεπιφάνεια NiPc/PEDOT:PSS παρατηρείται πάγωμα του επιπέδου Fermi εντός του χάσματος της NiPc. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα για τις δύο μεταλλικές φθαλοκυανίνες, προκύπτει ότι η παρουσία υμενίων CoPc διευκολύνει την έγχυση οπών στην επαφή με το ΙΤΟ, δίνοντας χαμηλότερες τιμές Φbh από την αντίστοιχη διεπιφάνεια με υμένια NiPc, ενώ οι διεπιφάνειες των MePcs με τον χρυσό παρουσιάζουν παρόμοια συμπεριφορά. Τέλος, έγιναν ηλεκτρικές μετρήσεις σε διατάξεις τύπου ΟFET με παχύτερα υμένια NiPc και CoPc, τα οποία παρασκευάστηκαν με εξάχνωση πάνω σε υπόστρωμα SiO2/Si αλλά και με τα παράγωγά τους με υποκαταστάτες θειϊκές ομάδες (SO3Na), τα οποία παρασκευάστηκαν από διάλυμα με τη μέθοδο της εναπόθεσης με σταγόνα (drop-casting) ή με περιστροφή (spin-coating). Οι διατάξεις ΟFET που προέκυψαν και ιδιαίτερα αυτές των σουλφονωμένων φθαλοκυανινών νικελίου, παρουσιάζουν ικανοποιητικές ευκινησίες. Τα κύρια ηλεκτρικά χαρακτηριστικά που προκύπτουν είναι ικανοποιητικά για το είδος των εφαρμογών για τις οποίες προορίζονται τα υλικά αυτά. / Recently, there is a great interest in the application of organic semiconductor thin films as active layers in electronic devices, in order to improve their efficiency and reduce the cost of their preparation. The family of Phthalocyanines (Pcs) present some of the most promising materials that can be compared to the conventional inorganic semiconductors for application in electronic devices, such as light emitting diodes (LEDs), field effect transistors (FETs), photovoltaic cells (PVs), solar cells, gas-sensors, data storage devices and batteries. The Pcs possess beneficial properties, such as quite high conductivity, thermal and chemical stability, compatibility with plastic substrates and low cost of deposition processes and are already used in gas sensor technology and in electronic devices. In this kind of devices, the properties of the interface between the active organic layer and the materials used as electrodes (metals, inorganic and organic semiconductors) affect the device performance therefore, it is important that they be determined. The present work, concerns the first experimental study by X-Ray and UV Photoelectron Spectroscopies (XPS, UPS), of the electronic structure of the interfaces formed upon evaporating, under UHV conditions, thin films of metal phthalocyanines (MePcs), such as Nickel (NiPc) and Cobalt (CoPc), on substrates with different chemical and physical properties. The choice of the substrates depends on the materials that are applied as electrodes and substrates in conventional electronic devices. Thin films of NiPc were deposited on the clean surface of metals with different work function values (polycrystalline gold and silver foils), on Indium-Tin Oxide (ITO) coated-glass substrate, a common electrode in OLEDS due to its excellent transparency in the visible, and on a silicon wafer (Si(100) n-type) used in FET structures. Also, the interaction of NiPc with organic substrates, such as PEDOT:PSS and PEDOT:PTSA which are polymer mixtures, is investigated. It has been reported that when PEDOT:PSS is applied at the anode of a device it enhances the injection of positive charge carriers. The PEDOT:PTSA substrate is investigated in order to decide whether it can replace PEDOT:PSS in several applications, as its synthesis is simpler than that of PEDOT:PSS. Also, the interfaces formed between CoPc and polycrystalline Au foil, as well as ITO, were studied by XPS and UPS and compared with the corresponding NiPc layers, in order to determine the role of the central metal atom of the metal phthalocyanine molecule in the properties of the interface. The experimental results (XPS and UPS) provide information about the valence band structure and the work function of the materials, the position of the highest occupied molecular orbital (HOMO) of the organic semiconductor (NiPc, CoPc) and the possible shifts of the energy levels of the materials. Furthermore, factors which affect and specify the charge transfer and the carrier mobility across the interface, such as the interfacial dipole (eD) and the barrier for the injection of holes (Φbh), can be determined. The results showed that the most appropriate material for the injection of holes is PEDOT:PSS, as the Φbh at the interface with NiPc was determined equal to 0.5 eV, significantly lower than that in the case of metals (0.9 eV), ITO (1.0 eV), as well as PEDOT:PTSA (0.8 eV). The study of the NiPc/Si(100) interface showed that the structure of the Si surface might affect the arrangement of the NiPc molecules, which could lay with their molecular plane parallel to the substrate, as evidenced by the fact the characteristics of the NiPc layer are fully developed at the early steps of deposition up to ~2 monolayers. No chemical interaction was observed in any of the studied systems, while in all cases charge transfer occurs in order to achieve thermodynamic equilibration. All the interfaces divert from the Schottky-Mott rule. In the case of the NiPc/PEDOT:PSS interface, a pinning of the Fermi level at the energy gap of NiPc occurs. Comparing the results for the interfaces formed between NiPc and CoPc with polycrystalline Au foil and ITO, it is found that in the case of Au the results are similar, while in the case of ITO substrate the presence of the CoPc layer leads to lower Φbh compared to NiPc layers, which would facilitate the mobility of positive carriers injected from the anode of a device. Finally, electrical measurements were performed on OFET structures using thicker NiPc and CoPc films, prepared by thermal evaporation on SiO2/Si substrates, as well as the same MePcs substituted with SO3Na groups, which were prepared from solution by drop-casting or spin-coating. All studied OFET structures and especially those of the sulfonated MePcs showed quite promising results for such type of applications.

Η παρούσα διατριβή ασχολείται με την καμπτική ενίσχυση δοκών οπλισμένου σκυροδέματος με στρώσεις σκυροδέματος στο εφελκυόμενο ή στο θλιβόμενο πέλμα τους. Ιδιαίτερα ασχολείται με τον προσδιορισμό της ολίσθησης στη διεπιφάνεια τους. Συγκεκριμένα στο 1ο Κεφάλαιο γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση για τις διεπιφάνειες σκυροδέματος. Παρουσιάζονται όλα τα προσομοιώματα που προτείνονται είτε σε Κανονισμούς, είτε από διάφορους ερευνητές, για τον προσδιορισμό της διατμητικής αντοχής της διεπιφάνειας, καθώς και για τον προσδιορισμό της σχέσης διατμητικής τάσης – ολίσθησης στη διεπιφάνεια σκυροδέματος. Στο 2ο Κεφάλαιο, παρουσιάζεται βιβλιογραφική ανασκόπηση για τις διεπιφάνειες σκυροδέματος με χάλυβα ή σύνθετα υλικά, σε σύμμικτες κατασκευές και σε μέλη ενισχυμένα με ελάσματα χάλυβα ή από ινοπλισμένα πολυμερή (ΙΟΠ), καθώς και πειραματικά αποτελέσματα κατανομής ολίσθησης σε διεπιφάνεια δοκών οπλισμένου σκυροδέματος ενισχυμένες με στρώση σκυροδέματος. Στο 3ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η πειραματική διερεύνηση δοκών οπλισμένου σκυροδέματος (Ο.Σ.) ενισχυμένων με στρώσεις σκυροδέματος. Εξετάστηκαν δύο ομάδες δοκιμίων. Στην πρώτη ομάδα εξετάστηκαν τέσσερα πρισματικά δοκίμια σκυροδέματος που ενισχύθηκαν με στρώση σκυροδέματος και στη συνέχεια δοκιμάστηκαν με φόρτιση τριών σημείων. Η δεύτερη ομάδα αναφέρεται σε πέντε δοκούς Ο.Σ. ενισχυμένες επίσης με στρώση σκυροδέματος, καθώς και σε αντίστοιχες μονολιθικές δοκούς που όλες δοκιμάστηκαν με φόρτιση τεσσάρων σημείων. Σε όλα τα δοκίμια και των δύο ομάδων μετρήθηκε η αντοχή τους καθώς και η ολίσθηση στη διεπιφάνεια τους. Στο 4ο Κεφάλαιο προτείνεται αναλυτική διαδικασία για τον υπολογισμό της ολίσθησης στη διεπιφάνεια σκυροδέματος και η εφαρμογή της στα πειραματικά δοκίμια που παρουσιάστηκαν στο Κεφάλαιο 3 καθώς και σε κάποια άλλα δοκίμια της βιβλιογραφίας που παρουσιάστηκαν στο 1ο Κεφάλαιο. Το 5ο Κεφάλαιο της παρούσας διατριβής, εξετάζει την επιρροή της συστολής ξήρανσης στο μέγεθος της ολίσθησης. Στο κεφάλαιο αυτό, παρουσιάζονται πειραματικές μετρήσεις της παραμόρφωσης και ολίσθησης λόγω συστολής ξήρανσης στα δοκίμια και των δύο ομάδων πειραματικών δοκιμίων που παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 3 και προτείνεται αναλυτικός τρόπος υπολογισμού της ολίσθησης και της διατμητικής τάσης στη διεπιφάνεια, συνυπολογίζοντας την επιρροή της συστολής ξήρανσης. Τέλος, παρουσιάζονται τα συνολικά συμπεράσματα που προέκυψαν στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, καθώς και προτάσεις για μελλοντική έρευνα. / The present thesis concerns the flexural strengthening of reinforced concrete (RC) beams by placing a new concrete layer on their compressive or tensile side. The main objective of the thesis is to evaluate interface slip. The first chapter is a literature review on concrete interfaces. Theoretical models, suggested by design codes or other researchers, for the calculation of the shear resistance and the relationship between the shear stress and the slip at the interface are presented. Moreover, experimental results for the shear stress against slip relationship at the concrete interface are given. The second chapter presents a literature review on the shear stress and slip distribution at concrete to steel or concrete to fibre reinforced polymer (FRP) interfaces. Theoretical and experimental results for the value of shear stress at the interface of concrete beams strengthened with steel or FRP plates and shear stress and slip distribution at the interface of composite steel and concrete beams are presented. The third chapter concerns an experimental investigation of RC beams strengthened with concrete layers. Two types of specimens are examined. The first group are prismatic RC specimens strengthened with a concrete layer and tested by three point bending. The second group contains 10 RC beams. Five are strengthened with a concrete layer on their compressive or tensile side, four are respective monolithic specimens and the final one is a control beam without any strengthening. These beams are tested under four point bending. In all tests, for both groups of specimens, load against deflection curves are determined and the slip along the interface is measured. An analytical evaluation of the slip at the interface of RC beams strengthened with concrete layers and the verification of the method comparing the analytical results with respective experimental results presented in Chapters one and three is presented in Chapter four. The shrinkage effect on interface slip and shear stress is examined in Chapter five. Experimental measurements of shrinkage strains and slip on specimens of both experimental groups presented in Chapter three are presented. An analytical evaluation of the extra slip and shear stress at the interface caused by shrinkage effect is also suggested. Finally, all results of the thesis and suggestions for future work are given.

Είναι γνωστό ότι οι διεπιφάνειες παίζουν σηµαντικό ρόλο στη συµπεριφορά των στερεών µονώσεων, ιδιαίτερα των στερεών συνθετικών µονώσεων µέσα στις οποίες δηµιουργούνται µακροσκοπικές διεπιφάνειες µεταξύ των µονωτικών στρωµάτων και µικροσκοπικές διεπιφάνειες µεταξύ των κυρίων µονωτικών υλικών και του πλήσµατος, που προστίθεται στις µονώσεις για τη βελτίωση της ηλεκτρικής και της µηχανικής τους αντοχής. Αρκετοί ερευνητές έχουν ασχοληθεί πειραµατικά µε τις επιδράσεις διαφόρων παραµέτρων των διεπιφανειών στην ηλεκτρική γήρανση των µονώσεων. Τέτοιες παράµετροι είναι η ασκούµενη πίεση µεταξύ των στρώσεων των µονωτικών υλικών, η τραχύτητα των εφαπτόµενων επιφανειών, η τιµή της πεδιακής έντασης στις διεπιφάνειες και η δηµιουργία φορτίων χώρου στις διεπιφάνειες. Άλλοι ερευνητές έχουν ασχοληθεί µε την επίδραση των διαφραγµάτων στην ηλεκτρική αντοχή των µονώσεων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή ερευνάται πειραµατικά η επίδραση των παρακάτω παραµέτρων των διεπιφανειών στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των στερεών µονώσεων, σε οµογενές και ανοµοιογενές ηλεκτρικό πεδίο: α) της παραµέτρου ξ, που καθορίζει τη θέση µιας διεπιφάνειας µέσα στο µονωτικό διάκενο και ορίζεται ως ξ=x/y, ο λόγος της απόστασης x της διεπιφάνειας από το ηλεκτρόδιο ΥΤ προς την απόσταση y µεταξύ των ηλεκτροδίων, β) της παραµέτρου ψ=ε1/ε2, που ορίζεται ως ο λόγος των τιµών της διηλεκτρικής διαπερατότητας των υλικών που σχηµατίζουν την διεπιφάνεια και γ) του αριθµού n των διεπιφανειών µέσα στο µονωτικό διάκενο. ∆ιερευνάται επίσης, η µεταβολή ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των µονώσεων µε διεπιφάνειες, σε σχέση µε την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου καταπόνησης και σε συνδυασµό µε τις παραπάνω παραµέτρους. Η έρευνα υλοποιήθηκε σε τρία στάδια. Πρώτα σχεδιάσθηκαν και κατασκευάσθηκαν διάφορες κατηγορίες δοκιµίων ανάλογα µε τον τύπο των διεπιφανειών τους και τη διάταξη των ηλεκτροδίων, καθορίσθηκαν τα πειράµατα για τη µέτρηση της ηλεκτρικής αντοχής των δοκιµίων και τη µέτρηση ηλεκτρικών χαρακτηριστικών τους σε διάφορες πεδιακές εντάσεις. Ύστερα, σχεδιάσθηκαν και κατασκευάσθηκαν ειδικές πειραµατικές κυψέλες, καθορίσθηκε η διαδικασία εκτέλεσης των πειραµάτων και εκτελέσθηκαν τα πειράµατα. Τέλος, έγινε η επεξεργασία των µετρήσεων, η µελέτη και η ανάλυση των πειραµατικών αποτελεσµάτων και εξήχθησαν τα συµπεράσµατα. i Για τον σχεδιασµό των δοκιµίων και των πειραµατικών κυψελών και για τον καθορισµό των πειραµάτων ελήφθησαν υπόψη στοιχεία που αφορούν στη δοµή των στερεών πολυµερών µονωτικών υλικών και στους µηχανισµούς διάσπασης και γήρανσης των στερεών συνθετικών µονώσεων, καθώς και επιστηµονικές εργασίες άλλων ερευνητών που αναφέρονται στη βιβλιογραφία. Στα δοκίµια δηµιουργήθηκε ένας από τους δυο τύπους διεπιφανειών, που εµφανίζονται συχνά στις στερεές µονώσεις του εξοπλισµού υψηλής τάσης: α) διεπιφάνειες µεταξύ ενσωµατωµένων στερεών µονωτικών υλικών και β) διεπιφάνειες µεταξύ µονωτικών φύλλων. Στην κατηγορία των δοκιµίων µε τον πρώτο τύπο διεπιφανειών κατασκευάσθηκαν δοκίµια από κύριο µονωτικό υλικό LDPE (low density polyethylene, πολυαιθυλένιο χαµηλής πυκνότητας), µε ένα διάφραγµα στο εσωτερικό τους κατασκευασµένο από LDPE µε φεροηλεκτρικό πλήσµα PZT (lead zirconate titanate, πρόσθετο µολύβδου-ζιρκονίου-τιτανίου), καθώς και δοκίµια από LDPE µε διάφραγµα από CP (chlorinated paraffin, χλωρική παραφίνη). ∆ηµιουργήθηκαν οµάδες δοκιµίων µε διάφορες τιµές των παραµέτρων ξ και ψ της πρώτης τους διεπιφάνειας. Όλα τα δοκίµια είχαν ίδιο πάχος (950µm) και τα πάχη των διαφραγµάτων τους ήταν 100, 200 ή 20 µm, κατά περίπτωση. Συνολικά κατασκευάσθηκαν 520 δοκίµια, στα οποία είχαν ενσωµατωθεί ηλεκτρόδια χαλκού µε εξάχνωση, σε διάταξη πλάκας-πλάκας. Επίσης, κατασκευάσθηκαν δοκίµια από διαφανές µονωτικό υλικό ΡΜΜΑ (polymethyl methacrylate, πολυµεθακρυλικό µεθυλεστέρα) µε διάφραγµα από ER (epoxy resin, εποξειδική ρητίνη) και πλήσµα ΡΖΤ. Η διάταξη των ηλεκτροδίων στα δοκίµια ΡΜΜΑ ήταν ακίδα-πλάκα, η απόσταση των ηλεκτροδίων ήταν 7,5 mm και το πάχος του διαφράγµατος ήταν 50 µm. ∆ηµιουργήθηκαν οµάδες δοκιµίων µε διαφορετικές τιµές της παραµέτρου ξ της πρώτης τους διεπιφάνειας. Συνολικά κατασκευάσθηκαν 100 δοκίµια ΡΜΜΑ. Στην κατηγορία των δοκιµίων µε το δεύτερο τύπο διεπιφανειών κατασκευάσθηκαν δοκίµια από στρώσεις µονωτικών φύλλων, από κύριο υλικό ΡΕΤ (polyethylene terepthalate, τερεφθαλικός πολυεστέρας του πολυαιθυλενίου). ∆ηµιουργήθηκαν οµάδες δοκιµίων µε παραµέτρους τα πάχη των επιµέρους φύλλων και το συνολικό πάχος των δοκιµίων, τη θέση και τον αριθµό των διεπιφανειών µέσα στα δοκίµια. Συνολικά κατασκευάσθηκαν 760 δοκίµια, στις εξωτερικές επιφάνειες των οποίων είχαν ενσωµατωθεί ηλεκτρόδια χαλκού µε εξάχνωση, δε διάταξη πλάκας-πλάκας. Επίσης, κατασκευάσθηκε µια τρίτη κατηγορία δοκιµίων χωρίς διάφραγµα, από LDPE µε πλήσµα ΡΖΤ, για να διερευνηθεί η επίδραση του πλήσµατος στα ηλεκτρικά ii χαρακτηριστικά των δοκιµίων, σε σχέση µε την πεδιακή ένταση καταπόνησης. Κατασκευάσθηκαν 50 δοκίµια πάχους 200 µm, µε ενσωµατωµένα ηλεκτρόδια χαλκού σε διάταξη πλάκας-πλάκας, µε διάφορες τιµές περιεκτικότητας ΡΖΤ. Στα δοκίµια εκτελέσθηκαν πειράµατα διάσπασης µε γραµµικά αυξανόµενη τάση AC και πειράµατα µέτρησης χωρητικότητας, εφδ και ΜΕ µε τάση AC σε διάφορες τιµές από 5% έως 85% της τάσης διάσπασης των δοκιµίων. Στα δοκίµια ΡΜΜΑ έγιναν πειράµατα µέτρησης του χρόνου έναρξης δηµιουργίας δενδριτών µε ταυτόχρονη µέτρηση ΜΕ κατά τη διάρκεια της ηλεκτρικής τους καταπόνησης µε σταθερή τάση AC, και ακολούθησαν µικροσκοπικοί έλεγχοι για τη διερεύνηση των δενδριτών. Επίσης, στα δοκίµια από µονωτικά φύλλα εκτελέσθηκαν πειράµατα µέτρησης του χρόνου διάσπασης µε ταυτόχρονη καταγραφή ΜΕ κατά την ηλεκτρική τους καταπόνηση µε σταθερή τάση AC. Στις πειραµατικές διατάξεις χρησιµοποιήθηκε εξοπλισµός του Εργαστηρίου Υψηλής Τάσης του Κέντρου ∆οκιµών Ερευνών και Προτύπων της ∆ΕΗ ΑΕ και του Εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστηµίου Πατρών. Σε µια συνδυασµένη ερευνητική προσπάθεια των Εργαστηρίων ΥΤ των Πανεπιστηµίων Πατρών και Tomsk της Ρωσίας, εκτελέσθηκαν στο Εργαστήριο του Tomsk αντίστοιχα πειράµατα σε διαφορετικά δοκίµια από κύριο µονωτικό SR (synthetic rubber, συνθετικό καουτσούκ) και PVC (polyvinyl chloride, χλωριούχο πολυβινύλιο) µε πλήσµα ΡΖΤ, µε έµφαση όµως στην επίδραση της πόλωσης του πλήσµατος σε ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των δοκιµίων. Σε κάθε οµάδα δοκιµίων, ανάλογα µε τα πειράµατα που εκτελέσθηκαν σε αυτήν, υπολογίσθηκαν οι τιµές των µέσων όρων και των τυπικών αποκλίσεων των µετρήσεων της ηλεκτρικής αντοχής, της εφδ, της διηλεκτρικής διαπερατότητας και των µέγιστων φορτίων ΜΕ των δοκιµίων, σε διάφορες τιµές της πεδιακής έντασης καταπόνησης. Επίσης, αναλύθηκαν µετρήσεις ΜΕ, των φορτίων, του αριθµού και της φασικής γωνίας εµφάνισης τους. Από τις µετρήσεις του χρόνου έναρξης δηµιουργίας δενδριτών και του χρόνου διάσπασης των δοκιµίων υπολογίσθηκαν οι αντίστοιχοι χρόνοι µε πιθανότητα Ρ=0,632 για τα δοκίµια κάθε οµάδας. Από τις επεξεργασµένες τιµές προέκυψαν τα διαγράµµατα µεταβολής της ηλεκτρικής αντοχής, του χρόνου διάσπασης και του χρόνου έναρξης δηµιουργίας δενδριτών των δοκιµίων, σε σχέση µε τις τιµές ξ, ψ και n των διεπιφανειών, και τα διαγράµµατα µεταβολής της εφδ, της διηλεκτρικής διαπερατότητας και των ΜΕ, σε σχέση µε την πεδιακή ένταση καταπόνησης, για διάφορες τιµές των παραµέτρων ξ και ψ. iii Με βάση τα πειραµατικά αποτελέσµατα µελετήθηκε η επίδραση των διεπιφανειών στη συµπεριφορά των στερεών µονώσεων, εξετάζοντας την επίδραση της θέσης της πρώτης διεπιφάνειας στη διαµόρφωση του ηλεκτρικού πεδίου µέσα σε µονωτικό διάκενο µε διάταξη ηλεκτροδίων ακίδας-πλάκας και µελετώντας την επίδραση της πόλωσης του φεροηλεκτρικού πλήσµατος σε ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των συνθετικών µονώσεων. Επίσης, µελετήθηκε η ανάπτυξη δενδριτών στο εσωτερικό των στερεών µονώσεων µε διεπιφάνειες διαφράγµατος, καθώς και η επίδραση του πάχους των στερεών συνθετικών µονωτικών υλικών στη διηλεκτρική τους αντοχή. Τα συµπεράσµατα που προέκυψαν συνοψίζονται στα εξής: Οι τιµές της εφδ και των ΜΕ στις στερεές µονώσεις εξαρτώνται από τις παραµέτρους ξ, ψ και n των διεπιφανειών και αυξάνονται απότοµα όταν η πεδιακή ένταση καταπόνησης υπερβεί µια κρίσιµη τιµή, η οποία στις συνθετικές µονώσεις κυµαίνεται συνήθως στο 25% της ηλεκτρικής τους αντοχής. Η ανίχνευση των κρίσιµων τιµών της πεδιακής έντασης µε τη διαδικασία λήψης µετρήσεων εφδ και ΜΕ σε διαδοχικά αυξανόµενα βήµατα τάσης, δίνει τη δυνατότητα σύγκρισης της ηλεκτρικής αντοχής των µονώσεων χωρίς να απαιτούνται πάντοτε καταστροφικές δοκιµές. Η θέση της πρώτης διεπιφάνειας παίζει σηµαντικά σπουδαιότερο ρόλο στην ηλεκτρική αντοχή των στερεών µονωτικών διακένων απ΄ ότι οι άλλες διεπιφάνειες, επειδή οριοθετεί το πρώτο στρώµα του µονωτικού που εφάπτεται στο ηλεκτρόδιο ΥΤ, µέσα στο οποίο ξεκινούν οι µηχανισµοί γήρανσης και διάσπασης των διακένων. Το πάχος του πρώτου στρώµατος επηρεάζει την εξέλιξη των µηχανισµών αυτών. Η θέση της πρώτης διεπιφάνειας διαφράγµατος επηρεάζει την τιµή της πεδιακής έντασης στην κορυφή της ακίδας και την ανάπτυξη δενδριτών στα διάκενα µε διάταξη ηλεκτροδίων ακίδας-πλάκας. Υπάρχει µια βέλτιστη θέση ξopt της πρώτης διεπιφάνειας, στην οποία τα αντίστοιχα διάκενα αποκτούν τη µεγαλύτερη τιµή της ηλεκτρικής τους αντοχής Εbmax σε σχέση µε την ηλεκτρική αντοχή των διακένων του ιδίου πάχους και από ίδια κύρια υλικά, που έχουν την πρώτη διεπιφάνεια σε άλλες θέσεις. Η θέση ξopt εξαρτάται από το κύριο µονωτικό υλικό των διακένων, ενώ η τιµή Εbmax εξαρτάται από την τιµή ψ. Αυτό αποδίδεται στο γεγονός ότι οι δενδρίτες αναπτύσσονται αρχικά στο πρώτο στρώµα του κύριου µονωτικού, ενώ η αύξηση του µήκους τους επηρεάζεται από τις τιµές ψ. Υπάρχει µια βέλτιστη τιµή ψopt που όταν η πρώτη διεπιφάνεια σχηµατίζεται στη θέση ξopt το αντίστοιχο διάκενο αποκτά τη µέγιστη τιµή Εbmax σε σχέση µε τα διάκενα µε άλλες τιµές ψ στη θέση ξopt, η τιµή αυτή µπορεί να υπερβεί το 60% της ηλεκτρικής αντοχής του διακένου χωρίς διεπιφάνειες. iv / It is known that the interfaces have an efficient effect in solid insulations behavior, especially in solid composed insulations inside of which are created macroscopic interfaces between the different dielectric layers and microscopic interfaces between the main insulating materials and additives that are used to optimize the electric and mechanical behavior of the insulations. Many researchers have investigated the effects of various interface parameters on the electric ageing of solid insulations. Such parameters are the applying pressure between the dielectric layers, the roughness of their adjoining surfaces, the electric field strength at the region of the interfaces and the creation of space charge in the vicinity of the interfaces. Other researchers have investigated the effect of dielectric barriers on the electric breakdown strength of solid insulations. In this research, the effect of the following interface parameters on electric characteristics of solid insulations is experimentally investigated, in homogeneous and nonhomogeneous electric field: a) the effect of the parameter ξ=x/y, the ratio of the distance x of the interface from the high voltage electrode to the distance y between the two electrodes, which defines the interface position inside an insulating gap, b) the effect of the parameter ψ=ε1/ε2, which is the ratio of the dielectric permittivity values of the insulating materials, which form the interfaces and c) the effect of the number n of the interfaces that are formed inside an insulating gap. It is also studied the effect of the electric field strength on electric characteristics of solid insulations having internal interfaces, in relation to the above mentioned parameters of the interfaces. The research was completed in three stages. At first, several categories of specimens were designed and constructed with different type of interfaces in various electrodes arrangement, the experiments were set up for measuring the breakdown voltage and electric characteristics of specimens in a range of values of the electric field strength. Then the test cells were designed and constructed and the suitable equipments were installed in the laboratory, the experimental procedure was set up and the experiments were executed on several specimen groups. Finally, the measurements were processed, the diagrams of the variation of the measuring electric characteristics of the specimens in relation to the above interfaces parameters were derived, the experimental results were studied and analyzed, and the conclusions were taken out. Elements concerning the polymer insulating materials structure, the ageing and the breakdown mechanisms of the solid composed insulations, as well as studies of other researchers, were considered for the designing of the specimens and the test cells, and for the determination of the experimental procedures. Inside the specimens was formed one of the following type of interfaces, which are commonly created in solid insulations of high voltage equipment: a) interfaces between two embodied solid dielectrics and b) interfaces between insulating films. The specimens with the first type of interfaces were constructed with a special procedure from low-density polyethylene (LDPE) as main insulating material and inside them was formed a thin barrier constructed from LDPE with the ferroelectric additive lead zirconate titanate (PZT). Specimens were also constructed from LDPE with a barrier from CP (chlorinated paraffin). Various groups of specimens were created with different values of the ξ and ψ parameters of the first interface of the barrier, which was nearest to the HV electrode. All specimens had the same thickness (950 μm) and the thickness of the barrier was 100, 200 or 20 μm. Copper evaporated plane-plane electrodes were embodied on the surfaces of all specimens. The total number of these specimens was 520. Specimens were also constructed from the transparent material polymethyl methacrylate (PMMA) with a barrier constructed from epoxy resin (ER) with additive PZT. The electrodes in these specimens were in a pin-plane arrangement and the distance between them was y=7,5 mm. The thickness of the barrier was 50 μm. Several groups of specimens were created according to the value of the parameter ξ of the first interface. The total number of PMMA specimens was 100. The specimens with the second type of interfaces were constructed from PET (polyethylene terepthalate) films. Various groups of specimens were created according to the thickness of the films and the total specimen thickness, the number of the films and their interfaces positions inside of the specimens. Copper evaporated plane-plane electrodes were embodied on the specimen’s surfaces. The total number of these specimens was 760. A third kind of specimens without interfaces was also constructed from LDPE with additive PZT, in order to study the effect of the additive material on electric characteristics of solid polymeric insulations. Various groups of specimens were created according to the concentration of the PZT inside them. Copper evaporated plane-plane electrodes were embodied on the surfaces of the specimens. The total number of these specimens was 50. The following experiments were executed on the various specimen groups from main insulating material LDPE and PET films: breakdown experiments with ramp increasing AC voltage, experiments for measuring of the tanδ, capacitance and PD in a range of values of AC voltage from 5% up to 85% of the breakdown voltage of the specimens. Experiments were also executed for measuring the treeing inception time in PMMA specimens during electric stressing with a constant value of AC voltage, while simultaneously PD measurements were recorded from these specimens. Electrical trees were detected inside the specimens with a special microscope. Experiments for measuring the breakdown time and for recording PD measurements of PET specimens were also executed during electric stressing of the specimens with a constant value of AC voltage. Last technology equipments of the of the High Voltage laboratory of the Testing Research and Standards Center (TSRC) of PPC SA and of the High Voltage Laboratory of the Electrical Engineering and Computers Technology Department of the University of Patras were used for the execution of the experiments. In a common researching effort of the High Voltage laboratories of the University of Patras and of the University of Tomsk in Russia, corresponding experiments had been performed at the Tomsk University on other specimens constructed from different main insulating material, SR (synthetic rubber) and PVC (polyvinyl chloride) with additive PZT, with emphasis on the polarization effect of the additive material on electric characteristics of solid composed insulations. The mean values and the typical deviations of the measurements of the electric breakdown strength, tanδ, dielectric permittivity and PD apparent charges of the specimens were calculated in each specimens group, in every step of the measuring voltage. The PD maximum charge values and the PD phase distribution, as well as the number of PD in PET specimens were also analyzed. The treeing inception time and the breakdown time with probability P=0,632 were calculated from the corresponding experimental results in each specimens group. The diagrams concerning the variations of the electric breakdown strength, the breakdown time and the treeing inception time of the specimens, in relation to the values of the ξ and ψ parameters were derived of the above processed measuring values. The diagrams of variations of tanδ and PD values of specimens, in relation to the electric field strength, were plotted for several values of ξ and ψ parameters. After processing the experimental results, the effect of the interfaces on solid insulations behavior was studied by investigating the effect of the position of the first interface on the configuration of the electric field inside an insulating gap with a pin-plane electrodes arrangement, and by studying the polarization effect of the PZT on electric characteristics of solid composed insulations. The treeing growth mechanism in solid composed insulations with barrier interfaces was also analyzed, and the effect of the thickness of a composed insulation layer on its electric breakdown strength was discussed. The main conclusions of this research are the following: The tanδ and PD values in solid insulations, measured in a constant AC electric field strength, are affected from the ξ, ψ and n parameters of the interfaces and are rapidly increased when the electric field strength exceeds a critical value, which in the case of solid composed insulations is commonly at a level of 25% of their electric breakdown strength. The detection of this critical value by taking tanδ and PD measurements in step-by-step procedure with increasing voltage assists to compare the electric breakdown strength of solid insulations without being necessary to execute always disruptive tests. The position of the first interface affects the electric characteristics of solid insulation gaps more than the other interfaces since this interface is the boundary of the first layer in the gap, which is in conduct with the HV electrode, and the ageing and breakdown mechanisms in the gap are started in this layer. The thickness of the first layer influences also the growth of these mechanisms. The position of the first interface of a barrier affects the electric field strength at the tip of the pin electrode and the treeing inception time of solid insulation gaps with pin-plane electrodes arrangement. There is an optimum position ξopt of the first interface at which the corresponding gaps get the maximum value Ebmax of their electric breakdown strength comparing to the electric breakdown strength of others insulation gaps with the same thickness and constructed from the same main insulating materials but having the first interface at different position. The position ξopt is depended from the main insulating material and the value Ebmax is depending from the value ψ. These are giving in reasons that treeing is starting in the first layer from the main insulating material and the lengthening of the branches of the trees is affected from the value ψ. There is also an optimum value ψopt for the first interface forming at the ξopt position, at which the corresponding gap get the maximum value Ebmax comparing to the electric breakdown strength of others gaps with different value ψ at ξopt position, and this value of Ebmax may exceed 60% the electric breakdown strength of the gap without interface.

Η παρούσα εργασία στοχεύει στην δημιουργία αξιόπιστων προσομοιωμάτων για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς υποστυλωμάτων ενισχυμένων με μανδύα και πρόσθετες στρώσεις από οπλισμένο σκυρόδεμα. Ειδικότερα στην εργασία διερευνάται η επιρροή της διεπιφάνειας παλαιού - νέου σκυροδέματος, η συστολή ξήρανσης του σκυροδέματος καθώς και η προφόρτιση των αρχικών υποστυλωμάτων στην συμπεριφορά των ενισχυμένων στοιχείων. Για την διερεύνηση της επιρροής του φαινομένου της δεσμευμένης συστολής ξήρανσης στην αντοχή του πρόσθετου σκυροδέματος ενίσχυσης, πραγματοποιούνται πειραματικές δοκιμές. Στην συνέχεια και αφού ελέγχεται η αξιοπιστία των προσομοιωμάτων, αυτά χρησιμοποιούνται σε παραμετρική διερεύνηση με σκοπό την εξαγωγή συντελεστών μονολιθικότητας οι οποίοι συσχετίζουν την συμπεριφορά των ενισχυμένων στοιχείων με αυτή των αντίστοιχων μονολιθικών. Ο υπολογισμός αξιόπιστων τιμών για τους συντελεστές μονολιθικότητας έχει ιδιαίτερη σημασία για τον σχεδιασμό καθώς με την εφαρμογή τους μπορούν εύκολα να εκτιμηθούν τα χαρακτηριστικά των ενισχυμένων στοιχείων. Από την αριθμητική διερεύνηση που πραγματοποιήθηκε, βρέθηκαν οι κατάλληλες παραδοχές με χρήση των οποίων μπορεί να επιτευχθεί αξιόπιστη πρόβλεψη μονολιθικών αλλά και ενισχυμένων στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα. Ιδιαίτερη σημασία βρέθηκε να έχει το φαινόμενο της συστολής ξήρανσης του σκυροδέματος ο συνυπολογισμός του οποίου φαίνεται να αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για την προσομοίωση της συμπεριφοράς κυρίως των ενισχυμένων στοιχείων. Η προφόρτιση του αρχικού υποστυλώματος βρέθηκε να μην επηρεάζει σημαντικά τα αποτελέσματα και ο συνυπολογισμός του μπορεί να αγνοείται. Στα τελευταία κεφάλαια της Διατριβής προτείνονται τιμές για τους συντελεστές μονολιθικότητας ανάλογα με τον τύπο ενίσχυσης οι οποίες βρέθηκαν να επηρεάζονται από το αξονικό φορτίο και το πάχος του μανδύα ενίσχυσης. Μια συνοπτική παρουσίαση των περιεχομένων κάθε κεφαλαίου ακολουθεί στην συνέχεια. Το πρώτο Κεφάλαιο της εργασίας περιλαμβάνει την βιβλιογραφική ανασκόπηση του θέματος. Περιλαμβάνει ερευνητικές εργασίες που έχουν πραγματοποιηθεί σε ενισχυμένα στοιχεία με πρόσθετες στρώσεις και μανδύες από οπλισμένο σκυρόδεμα. Στην συνέχεια παρουσιάζονται προσομοιώματα που έχουν προταθεί για την συμπεριφορά της διεπιφάνειας παλαιού - νέου σκυροδέματος καθώς και διαδικασίες προσομοίωσης της συμπεριφοράς στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα με χρήση πεπερασμένων στοιχείων. Στο τέλος του Κεφαλαίου παρουσιάζεται μια ανασκόπηση για την ελεύθερη και την δεσμευμένη συστολή ξήρανσης σε στοιχεία σκυροδέματος. Το δεύτερο Κεφάλαιο περιλαμβάνει αρχικά μια αναλυτική προσέγγιση της επιρροής του φαινομένου της συστολής ξήρανσης σε ενισχυμένα στοιχεία από οπλισμένο σκυρόδεμα ενώ στην συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα πειραματικής διαδικασίας για την διερεύνηση της επιρροής της δεσμευμένης συστολής ξήρανσης στην συμπεριφορά των χαρακτηριστικών του σκυροδέματος. Τα αποτελέσματα αυτά χρησιμοποιούνται για την διερεύνηση της αξιοπιστίας της προσομοίωσης του φαινομένου της συστολής ξήρανσης. Στο τρίτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η προσομοίωση μονολιθικών και ενισχυμένων στοιχείων με χρήση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων γενικής χρήσης, ΑΝSYS. Αρχικά εξετάζονται διαφορετικές διαδικασίες προσομοίωσης για την ολίσθηση μεταξύ χάλυβα και σκυροδέματος σε μονολιθικά στοιχεία ενώ στην συνέχεια εξετάζεται η προσομοίωση της διεπιφάνειας παλαιού - νέου σκυροδέματος. Στο τέταρτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η προσομοίωση μονολιθικών και ενισχυμένων στοιχείων με χρήση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων ΑΤΕΝΑ το οποίο απευθύνεται αποκλειστικά στην προσομοίωση στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα. Με το συγκεκριμένο λογισμικό υπάρχει η δυνατότητα προσομοίωσης της συμπεριφοράς των στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα και μετά το μέγιστο της καμπύλης δύναμης μετατόπισης. Επιπλέον προσομοιώνεται και το φαινόμενο της συστολής ξήρανσης του σκυροδέματος. Στο πέμπτο Κεφάλαιο εξετάζεται η επιρροή της προφόρτισης και της συστολής ξήρανσης στην συμπεριφορά των ενισχυμένων στοιχείων. Στο έκτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται μια παραμετρική διερεύνηση της επιρροής του πάχους του μανδύα ενίσχυσης και της τιμής του αξονικού φορτίου για υποστυλώματα ενισχυμένα με μη συρρικνούμενο σκυρόδεμα. Στο έβδομο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα παραμετρικών αναλύσεων συνυπολογίζοντας το φαινόμενο της συστολής ξήρανσης του σκυροδέματος και υπολογίζονται συντελεστές μονολιθικότητας ανάλογα με το πάχος του μανδύα ενίσχυσης, τη τιμή του ανηγμένου αξονικού φορτίου καθώς και την αντοχή του σκυροδέματος του μανδύα. Στο όγδοο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα γενικά συμπεράσματα που προέκυψαν ενώ γίνονται και προτάσεις για μελλοντική έρευνα. / The main aim of the thesis is the development of reliable numerical models to simulate the behaviour of columns strengthened with reinforced concrete jackets or additional layers. Specifically in this work, the effect of concrete shrinkage and the preloading of the initial column are investigated. For the investigation of the concrete shrinkage effect on the strength of the concrete of the jacket, an experimental procedure is performed. The experimental results are used to validate the numerical models and numerical analyses are used to calculate monolithic coefficients that correlate the behaviour of strengthened specimens with respective monolithic specimens. Monolithic coefficient values are of main importance as they can be simply used to estimate the characteristics of strengthened elements. From the numerical investigation, appropriate simulation assumptions for the reliable prediction of the behaviour of monolithic and strengthened reinforced elements have been found. The concrete shrinkage effect was found to be of main importance for the reliable simulation of the monolithic and especially strengthened specimens. The preloading of the initial column was found to have a negligible effect on the behaviour of strengthened specimens. In the final chapters of the thesis, monolithic coefficient values are proposed depending on the type of the jacket, the axial load value and the thickness of the concrete jacket. A brief description of the contents of each chapter follows: The first chapter presents a literature review. Research work involving elements strengthened with additional layers or jackets is initially presented. Then, available proposed models for the behaviour of the interface between the old and the new concrete and assumptions for the simulation of reinforced concrete elements using the finite element method are presented. The end of the chapter concerns a literature review covering free and restrained concrete shrinkage. The second chapter begins by presenting an analytical approximation of the effect of concrete shrinkage in strengthened specimens. Next, experimental results are presented concerning the compressive strength of concrete elements under restrained concrete shrinkage. These results are then used to validate the simulation procedure of the concrete shrinkage effect. The simulation of monolithic and strengthened reinforced concrete elements using the general purpose finite element program ANSYS is presented in the third chapter. Different assumptions for the simulation of bond slip between the steel bars and the concrete and for the interface between the old and the new concrete are examined. In the fourth chapter, the simulation of monolithic and strengthened elements using finite element program ATENA is presented. This software specialises in the simulation of reinforced concrete elements and the behaviour of the elements can be predicted even in the post peak region of the load deflection curve. In addition, the concrete shrinkage effect is simulated. The effect of the preloading of the initial column and the concrete shrinkage on the behaviour of the strengthened specimens is investigated in the fifth chapter. The sixth chapter presents a parametric study concerning the effect of the thickness of the concrete jacket and the axial load value on the behaviour of columns strengthened with a non-shrink concrete. In the seventh chapter, a parametric study is presented for columns strengthened with a normal (subject to shrinkage) concrete and monolithic coefficient values are calculated for different values of the thickness of the jacket, the axial load and the strength of the concrete of the jacket. Conclusions of the thesis are presented in the eighth chapter together with proposals for future research.

Το ερευνητικό ενδιαφέρον για τους οργανικούς ημιαγωγούς είναι συνεχώς αυξανόμενο τα τελευταία χρόνια, καθώς η αγορά των οργανικών ηλεκτρονικών είναι από τις πιο αναπτυσσόμενες. Για την καλή απόδοση των διατάξεων αυτών σημαντικός είναι ο ρόλος των διεπιφανειών. Οι οικογένειες των n-type οργανικών ημιαγωγών naphthalene bisimides και perylene bisimides έχουν δείξει καλές αποδόσεις σε οργανικά τρανζίστορ. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν οι διεπιφάνειες νέων οργανικών ημιαγωγών από τις παραπάνω οι οικογένειες οργανικών πάνω σε ανόργανα υποστρώματα με φασματοσκοπίες φωτοηλεκτρονίων. Μελετήθηκε ο σχηματισμός λεπτών υμενίων, πάχους έως τα 10 nm, τριών naphthalene οργανικών ημιαγωγών με διαφορετικό ενεργειακό χάσμα πάνω στον χρυσό και ενός perylene πάνω σε χρυσό και SiO2. Σκοπός ήταν να προσδιοριστεί η επίδραση των διαφορετικών υποκαταστατών του κεντρικού πυρήνα των naphthalene bisimides, στα ενεργειακά χαρακτηριστικά του ημιαγωγού και τα φράγματα έγχυσης των φορέων στην διεπιφάνεια με τον χρυσό. Ο τρόπος ανάπτυξης των όλων των οργανικών ημιαγωγών προσδιορίστηκε ως πολλαπλά στρώματα. Σε μια περίπτωση εντοπίστηκε ότι αλλάζει από οριζόντιο σε κάθετο ο προσανατολισμός των μορίων. Προσδιορίστηκαν όλα τα μεγέθη που χαρακτηρίσουν ενεργειακά την διεπιφάνεια. Συγκεκριμένα, σε όλες τις διεπιφάνειες εμφανίζεται ένα διεπιφανειακό δίπολο λόγω της αναδιάταξης του ηλεκτρονιακού νέφους της επιφάνειας του χρυσού από τα μόρια του οργανικού. Επίσης, οι τιμές των φραγμάτων έγχυσης των ηλεκτρονίων που υπολογίστηκαν είναι αρκετά μικρές που δείχνουν το n-type χαρακτήρα των οργανικών. Οι τιμές του δυναμικού ιονισμού που υπολογίστηκαν ήταν όλες μεγαλύτερες του 5, που είναι προϋπόθεση για τα τρανζίστορ να είναι σταθερά στον αέρα, ενώ σε μια περίπτωση η τιμή ήταν αρκετά μικρή, που δείχνει ότι ο συγκεκριμένος οργανικός ημιαγωγός μπορεί να έχει ambipolar χαρακτηριστικά. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο χρυσός μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά ως ηλεκτρόδιο σε τρανζίστορ με n-type οργανικούς ημιαγωγούς. Τέλος, από τα αποτελέσματα τονίστηκε ότι με την υποκατάσταση χημικών ομάδων στον κεντρικό πυρήνα του naphthalene, μια εύκολη διαδικασία, είναι δυνατόν να οδηγηθεί ενεργειακά η διεπιφάνεια προς την επιθυμητή κατεύθυνση. / In the recent years the interest on organic semiconductors is increased as the market of organic electronics is one of most promising. The interfaces between the organic semiconductors with metals or other materials are crucial for the performance of the devices. The study of interfaces by surface sensitive techniques could give useful information for the physics of metal-organic contacts and therefore it is possible the tuning and the improvement of the device performance. The n-type organic semiconductors derivatives of naphthalene bisimides and perylene bisimides, have shown good performance in OFETs. In this work, the interfaces of new synthesized naphthalene bisimides and perylene bisimides molecules with inorganic substrates have been studied by photoelectron spectroscopies. Thin films up to 10 nm thickness of three naphthalene organic semiconductors of different energy gap on Au substrates have been studied. The aim was to investigate the effect of the different substituents of the naphthalene core on the energy characteristics of the organic semiconductors and on the charge injection barriers at the interface. Moreover, the interface of one perylene n-type semiconductor deposited on Au and SiO2 was studied in order to examine the influence of the substrate on the growth mode and the electronic properties. The growth mode of all the organic semiconductors was characterized as simultaneous multilayers. In one case, the orientation of the organic molecules was changed from horizontal to vertical to the surface. In all the interfaces an interface dipole is formed during the early stage of deposition which is attributed to the reorganization of the electron cloud of the Au surface by the organic molecules when they are deposited on Au. The hole and electron injection barriers were also determined. The electron injection barriers were found to be small which indicates the n-type character of these organic molecules. In addition, the results displayed that the Au can be used efficiently as electrode in devices with these organic semiconductors. The ionization potentials of the organic semiconductors were measured and found to be above 5 eV for all and therefore, they are suitable for air-stable transistors. In the case of one organic semiconductor the ionization potential was measured close to the value of five. Thus, this organic semiconductor is suitable for ambipolar transistors. The valance band characteristics near the HOMO, as detected by the UPS spectra, showed that they are affected by the different substituents on the side groups of the imide. These results have shown that changing the substituents of the organic core, which is an easy process; it is possible to tune the energy levels and the electronic characteristics of the interface.