Κίνητρο της παρούσας διατριβής αποτέλεσε η αποτίμηση της δομικής ακεραιότητας κελυφοειδών κατασκευών από σύνθετα υλικά που παρουσιάζουν ανοχή στη βλάβη, με τη χρήση ακουστικών τεχνικών μη καταστροφικού ελέγχου. Στόχος ήταν η πειραματική και θεωρητική μελέτη επίδρασης της αστοχίας, που αναπτύσσεται σε μια πολύστρωτη μετά από φόρτιση, σε μετρήσιμα χαρακτηριστικά της κυματικής διάδοσης. Χωρίζεται σε δύο τμήματα, στη μοντελοποίηση της βλάβης και στη μελέτη επίδρασης αυτής στην κυματική διάδοση. Η έρευνα εστιάστηκε σε μορφές αστοχίας που συναντώνται σε πολύστρωτες υπό επίπεδη εντατική κατάσταση και συσσωρεύεται κατά το πάχος τους στη διάρκεια φόρτισης. Για την προσομοίωση της δημιουργήθηκαν διαφορετικά μηχανικά μοντέλα. Έμφαση δόθηκε στην προσέγγιση της συμπεριφοράς του υλικού υπό μονότονη στατική φόρτιση. Γι’ αυτό αναπτύχθηκε ένα φαινομενολογικό πρότυπο προοδευτικής αστοχίας για gl/ep πολύστρωτες. Η δομή του στηρίχθηκε σε τέσσερις πυλώνες. Πρώτον στην πειραματική διαδικασία χαρακτηρισμού μηχανικών ιδιοτήτων της μονοαξονικής στρώσης, ως το βασικό δομικό υλικό μιας πολύστρωτης. Ο ενδελεχής χαρακτηρισμός του υλικού σπάνια συναντάται σε τέτοια έκταση. Δεύτερον από τις δοκιμές προέκυψαν οι καταστατικές εξισώσεις της στρώσης. Η προσέγγιση της ανισότροπης μη – γραμμικότητας του υλικού έγινε με βηματική, γραμμική ανά βήμα, τασική ανάλυση στο επίπεδο της στρώσης χρησιμοποιώντας εφαπτομενική ελαστικότητα. Ο τρίτος πυλώνας αφορά στον προσδιορισμό έναρξης αστοχίας. Υιοθετήθηκαν κριτήρια ευρείας αποδοχής στο σχεδιασμό με σύνθετα υλικά, όπως π.χ. του Puck, των Shokrieh και Lessard κ.α., προτείνοντας και έναν νέο συνδυασμό τους. Τέλος, στρατηγικές υποβάθμισης των μηχανικών ιδιοτήτων της στρώσης προσομοίωσαν το αποτέλεσμα της συσσώρευσης αστοχίας μετά την έναρξή της. Το πρότυπο προοδευτικής αστοχίας ενσωματώθηκε σε στοιχείο κελύφους εμπορικού κώδικα πεπερασμένων στοιχείων. Ακολούθησε αξιολόγηση του, συγκρίνοντας τα αριθμητικά αποτελέσματα με πλειάδα μονοαξονικών και πρωτότυπων διαξονικών πειραμάτων. Η διαδικασία αυτή οδήγησε αφενός στην σημαντική για τον σχεδιασμό παρατήρηση εξάρτησης του μέτρου διάτμησης από το υπάρχον επίπεδο εντατικό πεδίο και αφετέρου στην εξέλιξη του προτύπου ώστε παρά τον περιορισμό των καταστατικών εξισώσεων που το διέπουν να μπορεί να προσομοιώσει τη διαστρωματική αποκόλληση. Έχοντας αναπτύξει τα εργαλεία περιγραφής της βλάβης, η διατριβή ολοκληρώνεται με τη μελέτη δομικής ακεραιότητας, χρησιμοποιώντας τη μη – καταστροφική τεχνική των ακουστό - υπέρηχων. Παρουσιάζεται το πειραματικό και θεωρητικό υπόβαθρο της διάδοσης τασικών κυμάτων σε κελύφη. Πρότυπα πολύστρωτων που υπέστησαν αριθμητική βλάβη υποβλήθηκαν σε αριθμητικές μη – καταστροφικές δοκιμές, καταλήγοντας σε συμπεράσματα όπως π.χ. τη μείωση της φασικής ταχύτητας με τη συσσώρευση βλάβης. / The motivation for the present research was the integrity estimation of shell – like structures made of damage tolerant composite materials, using acoustic non destructive testing techniques. An experimental and theoretical study was held aiming to investigate the influence of the damage, accumulated in a loaded laminate, in measurable wave propagation characteristics. The thesis is separated in two major parts. One described with detail the damage simulation model and the other the damage effects on the wave propagation and the wave mechanics. The study was focused on damage modes developed in composite laminates under in – plane complex stress fields due to several loading conditions and various mechanical models were developed for simulation purposes. Emphasis was given in the description of the material performance under monotonic static loading. Thus, a phenomenological progressive damage model for gl/ep multiaxial laminates was developed. This was structured based on four pillars. Primarily, as the laminate basic building block, the unidirectional layer was mechanically characterized. Such an extended experimental procedure can hardly be found. Secondly, the test results defined the ply constitutive equation laws. The highly anisotropic material non – linearity was approximated with piece – wise linear incremental layer by layer stress analysis using tangential elasticity. The third pillar regarded the damage initiation conditions. Thus, well defined criteria widely accepted in composite design were implemented i.e. Puck, Shokrieh and Lessard, etc. Finally post failure strategies were deployed, simulating material mechanical properties degradation emerging during damage accumulation. The progressive damage model was incorporated in a shell element of a commercial finite element code. An extended validation procedure took place comparing numerical results with several uniaxial and innovative biaxial test data. During this procedure the G12 shear modulus dependence on the developed plane stress field was thoroughly studied, resulting in recommendations for the designer and the selection of the appropriate modulus value. Additionally, the material model was further enhanced, taking into account incompatible failures with its constitutive equations e.g. delamination. Having developed several tools that described damage existence or accumulation, this dissertation was finished with the structural integrity study, using the acousto – ultrasonics non destructive testing technique. The experimental and theoretical background for stress wave propagation in waveguides was presented. Numerically damaged material models were additionally inspected with numerical non – destructive tests, resulting in specific conclusions for damage effect on measurable wave propagation characteristics, e.g. phase velocity reduction with damage growth.

Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία, έγινε με σκοπό την λεπτομερή περιγραφή των τεχνικό-γεωλογικών χαρακτηριστικών που δύναται να ταξινομήσουν τα βραχώδη υλικά, ύστερα από εργαστηριακές δοκιμές και μετρήσεις, ως κατάλληλα ή μη κατάλληλα για την χρησιμοποίησή τους ως αδρανή υλικά. Στην εργασία, γίνεται εκτενής αναφορά στις φυσικές-μηχανικές–χημικές–γεωμετρικές και άλλες ιδιότητες που παρουσιάζουν τα υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αδρανή, καθώς επίσης δίνεται και λεπτομερής περιγραφή των εργαστηριακών δοκιμών που διεξάχθηκαν, όπως προβλέπονται από τους Ευρωπαϊκούς Κανονισμούς (ΕΝ) περί καταλληλότητας των αδρανών υλικών που βρίσκονται σε συνάφεια με τις νομοθεσίες του Ελληνικού Κράτους. Η εν λόγω εργασία αναφέρεται στις χρήσεις αδρανών υλικών ως έρμα σιδηροδρομικών γραμμών και οδοποιίας. Εργαστηριακά, η παρακάτω διπλωματική εργασία βασίζεται στην λήψη δείγματος από βραχώδες διαβασικό και ηφαιστειακό υλικό το οποίο εξετάστηκε βάσει των πιο πάνω Ευρωπαϊκών Κανονισμών και στην συνέχεια συγκρίθηκε με τα προβλεπόμενα όρια της κάθε εργαστηριακής δοκιμής που αναφέρονται ως εργαστηριακά όρια χρήσης αδρανών υλικών σε έρμα σιδηροδρομικών γραμμών αλλά και οδοποιίας. Μια επιπλέον πτυχή του θέματος που εξετάζουμε είναι οι λατομικές ζώνες(λατομεία), οι οποίες ορίζονται ως ο χώρος που γίνεται μαζική λήψη υλικού, απευθείας από το υγιές τμήμα της βραχομάζας ,που προορίζεται για χρήση αδρανών υλικών και εξετάζονται οι περιορισμοί που προκύπτουν βάσει της Ελληνικής νομοθεσίας στο εν λόγω ζήτημα και αφορούν άμεσα αστικές και κατοικημένες περιοχές. Όλες οι εργαστηριακές δοκιμές που εκπονήθηκαν για το σκοπό αυτό, έλαβαν χώρα στο εργαστήριο Τεχνικής Γεωλογίας του τμήματος Γεωλογίας του Πανεπιστημίου Πατρών. Γίνεται επίσης σύγκριση των εργαστηριακών αποτελεσμάτων με τα αντίστοιχα κατάλληλα όρια. Τέλος, γίνεται γεωμορφολογική και γεωλογική αναφορά της περιοχής του Νομού Κιλκίς, Φλώρινας και Μεθάνων, από όπου πάρθηκαν τα δείγματα και δίνεται μια σύντομη αλλά κατατοπιστική αναφορά στην γεωτεκτονική ζώνη στην οποία ανήκει. / This thesis was aimed at a detailed description of the technical - geological characteristics may classify rocky materials, following laboratory tests and measurements, as suitable or unsuitable for use as aggregates. This paper is a detailed report on the physical - chemical - mechanical - geometric and other properties which are the materials that can be used as aggregates, as well as given and detailed description of the laboratory tests performed as specified by European regulations ( EN ) on suitability of aggregates that are consistent with the laws of the Greek state. This work relates to uses of aggregates as railway ballast and road construction. Laboratory, the following thesis is based on sampling from crossing rocky and volcanic material which was examined under the above European Regulations and then compared with existing limits of each laboratory test referred to as laboratory usage limits aggregates in railway ballast but and odopoiias.Mia additional aspect of the matter is the quarrying areas (quarries), defined as the space is massive samples taken directly from the healthy part of the rock mass, which is intended for use aggregates and examines the constraints arising under Greek law on this issue and directly related urban and residential areas. All laboratory tests carried out for this purpose took place in the laboratory of Engineering Geology, Geology Department, University of Patras. It will also compare the laboratory results with the corresponding appropriate limits. Finally Made geomorphological and geological report of the Prefecture of Kilkis, Florina and methane emissions, from which samples were taken and given a brief but informative reference to tectonic zone to which it belongs.

Θεωρούμε μια ακολουθία από n δυαδικά πειράματα. Ροή επιτυχιών μήκους k είναι μια ακολουθία από k συνεχόμενες επιτυχίες οι οποίες έπονται και ακολουθούνται από αποτυχίες ή τίποτα. Στην εργασία αυτή αρχικά μελετάται η τυχαία μεταβλητή Ν(n,k) η οποία παριστάνει τον αριθμό των ροών επιτυχιών μήκους k σε n δυαδικά πειράματα. Προσδιορίζεται η ακριβής κατανομή μέσω συνδιαστικών μεθόδων, αναδρομικών σχέσεων και μέσω της μεθόδου εμβάπτισης τυχαίας μεταβλητής σε Μαρκοβιανή αλυσίδα. Η μελέτη γίνεται για ανεξάρτητες και ισόνομες και για ανεξάρτητες όχι κατ’ ανάγκην ισόνομες δυαδικές ακολουθίες. Μελετάται επίσης η τυχαία μεταβλητή M(n,k)η οποία παριστάνει τον αριθμό των ροών επιτυχιών τουλάχιστον k σε n δυαδικά πειράματα. Ένα συνεχόμενο-k -από-τα-n:F σύστημα αποτυχίας είναι ένα σύστημα n συνιστωσών το οποίο αποτυγχάνει αν και μόνο αν αποτύχουν τουλάχιστον k συνεχόμενες συνιστώσες του. Τα συνεχόμενα-k-από-τα-n:F συστήματα αποτυχίας έχουν προταθεί ως κατάλληλα πρότυπα για συστήματα μεταφοράς πετρελαίου, τηλεπικοινωνιακά συστήματα κ.α. Ένα m-συνεχόμενο-k-από-τα-n:F σύστημα αποτυχίας είναι ένα σύστημα n συνιστωσών το οποίο αποτυγχάνει αν και μόνο αν υπάρχουν τουλάχιστον m ροές από k συνεχόμενες αποτυχημένες συνιστώσες του. Μελετάται η σχέση της αξιοπιστίας των ανωτέρω συστημάτων με τη συνάρτηση πιθανότητας και τη συνάρτηση κατανομής της τυχαίας μεταβλητής N(n,k). Αναπτύσσονται οι μέθοδοι που έχουν δοθεί για τον προσδιορισμό της αξιοπιστίας τους και δίνονται ακριβείς εκφράσεις της μέσω πολυωνυμικών συντελεστών, διωνυμικών συντελεστών, αναδρομικών σχέσεων και της μεθόδου εμβάπτισης σε Μαρκοβιανή αλυσίδα. Η μελέτη γίνεται για συστήματα με ανεξάρτητες συνιστώσες, γαι συστήματα με ομογενή Μαρκοβιανή εξάρτηση ενός βήματος και για συστήματα με Μαρκοβιανά εξαρτημένες συνιστώσες (k-1) βημάτων. Τέλος παρουσιάζονται αριθμητικά παραδείγματα για περαιτέρω διευκρίνηση και σύγκριση των μεθόδων υπολογισμού της κατανομής της N(n,k) και της αξιοπιστίας των ανωτέρω συστημάτων αποτυχιών. / Consider a sequence of n two state (success-failure) trials. A success run of length k is a sequence of k consecutive successes proceeded and succeeded by failures or nothing. In this thesis the random variable N(n,k) denoting the number of success runs of length k in n binary trials is studied. The exact distribution of N(n,k) is given, via combinatorial analysis, recursive relations and using the Markov chain imbedding technique. The study is carried out for independent but not identically distributed binary sequences. Further, the random variable M(n,k)denoting the number of success runs of length at least k in n binary trials is also studied. A consecutive-k-out-of-n : F system is a system which consists of n components ordered on a line, which fails if and only if at least k consecutive components fail. Such systems have been used to model telecommunication, oil pipeline systems e.t.c. An m-consecutive-k -out-of-n : F system consists of n components ordered on a line, which fails if and only if there are at least m non-overlapping runs of k consecutive failed components. The reliability of the above mentioned systems is related to the cumulative distribution function of the random variable N(n,k) . Exact formulae for the reliability is given by means of binomial and multinomial coefficients, via recursive relations and using the Markov chain imbedding technique. The study is accomplished for systems with independent and Markov dependent components. Finally, numerical examples are given for comparison of the various used methods and to illustrate the theoretical results.