Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε και προσομοιώθηκε η επίδραση των μεταβατικών φαινομένων σε μεταλλικές κατασκευές. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν οι επιπτώσεις της πτώσης ενός κεραυνού σε ένα πλοίο. Για την πραγματοποίηση αυτής της μελέτης χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα προσομοίωσης emp3 , το οποίο έχει κατασκευασθεί από την εταιρία field precision και είναι κατάλληλο για τη μελέτη τέτοιων φαινομένων. Το emp3 στηρίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων στο πεδίο του χρόνου (FETD-FINITE-ELEMENT-TIME-DOMAIN) και καταλήγει σε συμπεράσματα με πλήρη επίλυση των εξισώσεων του Maxwell χρησιμοποιώντας μια ψευδογλώσσα επιπέδου assembly .Στο υποπρόγραμμα mesh.exe σχεδιάστηκε ένα πλοίο και το περιβάλλον του και στη συνέχεια δημιουργήθηκε το αρχείο .ein στο οποίο χωρίστηκε η διάταξη σε διάφορες περιοχές ανάλογα με τις ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες της καθεμίας, με σκοπό να παρατηρήσουμε τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία που δημιουργεί το μεταβατικό φαινόμενο (κεραυνικό πλήγμα) στις τρείς διαστάσεις. Τέλος, τρέξαμε το αρχείο .ein στο emp3.exe και παραθέσαμε τα αποτελέσματα της προσομοίωσης που προέκυψαν τόσο από το υποπρόγραμμα vemp3.exe όσο από το υποπρόγραμμα probe.exe και εξαγάγαμε κάποια συνολικά συμπεράσματα. Στο πρώτο Κεφάλαιο θα γίνει αναφορά στο φυσικό φαινόμενο του κεραυνού και συγκεκριμένα στους τρόπους δημιουργίας του,στις παραμέτρους του καθώς και στους παράγοντες που τον επηρεάζουν. Στο δεύτερο Κεφάλαιο θα γίνει ανάλυση των διεργασιών που ακολουθούν την πτώση ενός κεραυνού σε ένα πλοίο και συγκεκριμένα στις επαγόμενες τάσεις και στα παραγόμενα ηλεκτρομαγνητικά πεδία καθώς και στις βλάβες που προκαλούνται τόσο στο πλοίο όσο και στα εξαρτήματα του. Στο τρίτο Κεφάλαιο θα γίνει ανάλυση του προγράμματος προσομοίωσης emp3 ,της μεθόδου στην οποία στηρίζεται ,της ψευδογλώσσας που χρησιμοποιεί και του έτοιμου παραδείγματος bdeflect με σκοπό την κατανόηση της διαδικασίας προσομοίωσης και των αποτελεσμάτων. Στο τέταρτο Κεφάλαιο θα γίνει η παρουσίαση της διαδικασίας προσομοίωσης και των αποτελεσμάτων. Συγκεκριμένα παρατείθεται η κατασκευή της γεωμετρίας του πλοίου και του περιβάλλοντος του,ο χωρισμός της συνολικής διάταξης σε περιοχές με διαφορετικά ηλεκτρομαγνητικά χαρακτηριστικά, η εισαγωγή του κώδικα στο emp3.exe τα αποτελέσματα που εξήχθησαν στα vemp3.exe και probe.exe καθώς και ορισμένα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη διεξαγωγή της παρούσας διπλωματικής εργασίας. / In this dissertation the effect of the transient phenomena in metallic structures was studied and simulated.Specifically. were studied the effects of a lighting stroke on a ship. In order to carry out this study,was used the simulation program emp3, which is manufactured by the company field precision and is suitable for the study of such phenomena. The emp3 program is based on the method FETD-FINITE-ELEMENT-TIME-DOMAIN and concludes with complete resolution of Maxwell's equations using a pseudocode level assembly.In the subprogram mesh.exe was designed the ship and its environment and then was created the .ein file, in which the construction was divided in different regions depending on the electromagnetic characteristics of each area, in order to observe the fields that were created by the transient phenomenon (lighting stroke), in three dimensions. Finally, we ran the file .ein in emp3.exe and presented the simulation results, which were obtained from both the subprogram vemp3.exe and the subprogram probe.exe and drew some overall conclusions. In the first chapter there will be a reference to the natural phenomenon of lightning strike and specifically to the ways of it's creation, its parameters and the factors that influence it.Ιn the second chapter there is the analysis of the processes, which follow the fall of a lightning stroke on a ship and specifically the induced voltages generated electromagnetic fields and also the harms caused both to the ship and it's components. In the third chapter there is the analysis of the simulation program emp3, the method which it is based on, the pseudocode which is used and the already existed example bdeflect in order to understande the process simulation and results.In the fourth chapter the simulation process and the results are given. Specifically, the construction of the geometry of the ship and its environment, the separation of the total provision in areas with different magnetic characteristics, the insertion of the code in emp3.exe,the results exported to vemp3.exe and probe.exe and some conclusions drawn during this thesis are presented.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται την αποτίμηση της σεισμικής συμπεριφοράς και την ενίσχυση μη-κανονικών σε κάτοψη κτιρίων οπλισμένου σκυροδέματος. Σε μια έντονα σεισμογενή περιοχή όπως η Ελλάδα, η ύπαρξη πολύ μεγάλου ποσοστού (περί το 70%) κατασκευών που δεν διαθέτουν την ασφάλεια έναντι του σεισμού που απαιτούν οι σημερινοί κανονισμοί, αποτελεί μεγάλο πρόβλημα. Επιπλέον, πέραν της έλλειψης αντισεισμικού σχεδιασμού τους, η δομική μορφολογία της πλειοψηφίας των κατασκευών αυτών ευνοεί την ανάπτυξη στρεπτικής απόκρισης κατά το σεισμό, καθιστώντας ακόμα πιο δυσμενή την κατάσταση. Πέραν των τεχνικών και οικονομικών δυσχερειών που παρουσιάζει η ενίσχυση των κατασκευών αυτών, έως τώρα, και πριν τη θεσμοθέτηση στην Ελλάδα του αντίστοιχου μέρους του Ευρωκώδικα 8 (Μέρος 3) ή του Κανονισμού Επεμβάσεων (ΚΑΝΕΠΕ), η ενίσχυση είχε κυρίως εμπειρικό χαρακτήρα. Στη διατριβή αυτή προτείνονται υπολογιστικά εργαλεία και μέθοδοι για τη λεπτομερή αποτίμηση της σεισμικής συμπεριφοράς της προβληματικής αυτής κατηγορίας κατασκευών με στόχο την κατανόηση της απόκρισής τους κατά το σεισμό αλλά και τον προσδιορισμό των «αδύνατων σημείων» τους, έτσι ώστε η ενίσχυση να είναι προσανατολισμένη ακριβώς εκεί, κάτι που είναι ορθολογικότερο όχι μόνο επιστημονικά αλλά και από άποψη κόστους. Ως αντικείμενο μελέτης και εφαρμογής των μεθόδων και διαδικασιών που προτείνονται σε αυτή τη διατριβή χρησιμοποιούνται τέσσερα πραγματικά κτίρια, δύο από τα οποία προϋπήρχαν ενώ τα υπόλοιπα κατασκευάστηκαν με σκοπό τη διεξαγωγή πειραματικών δοκιμών με την ψευδοδυναμική μέθοδο. Τα υφιστάμενα κτίρια είναι η τετραώροφη πολυκατοικία επί των οδών Πίνδου και Γ. Παπανδρέου στη Νέα Φιλαδέλφεια Αττικής η οποία κατέρρευσε κατά τον σεισμό της Αθήνας το 1999, και το Δημοτικό Θέατρο Αργοστολίου «Ο Κέφαλος». Από τα δύο κτίρια που κατασκευάστηκαν εξ’ αρχής, το πρώτο είναι τριώροφο σε φυσική κλίμακα και κατασκευάστηκε για να δοκιμαστεί ψευδο-δυναμικά στο Κοινό Κέντρο Έρευνας της Ευρωπαϊκής Ένωσης στην Ispra της Ιταλίας, και το δεύτερο είναι διώροφο σε κλίμακα 1:0.75 και κατασκευάστηκε για να δοκιμαστεί ψευδο-δυναμικά στο Εργαστήριο Κατασκευών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Και τα τέσσερα κτίρια είναι χαρακτηριστικά της μελετητικής και κατασκευαστικής πρακτικής που ίσχυε στην Ελλάδα αλλά και στην ευρύτερη περιοχή της νότιας Ευρώπης τη δεκαετία του 1970. Στο πρώτο Κεφάλαιο της διατριβής γίνεται αναφορά στο πρόβλημα της ύπαρξης στη χώρα μας μεγάλου ποσοστού υφισταμένων κατασκευών χωρίς επαρκή ή και στοιχειώδη αντισεισμικό σχεδιασμό. Ακολουθεί μια σύντομη ιστορική αναδρομή στην εξέλιξη και βελτίωση των Ελληνικών αντισεισμικών κανονισμών, καθώς και μια αναφορά στις πρακτικές δυσχέρειες της σεισμικής αποτίμησης και ενίσχυσης. Στο δεύτερο Κεφάλαιο γίνεται αναφορά στους στόχους αποτίμησης της φέρουσας ικανότητας και της ενίσχυσης κατά τους σύγχρονους κανονισμούς (Ευρωκώδικα 8 – Μέρος 3 και ΚΑΝΕΠΕ), τις στάθμες επιτελεστικότητας κατά το σεισμό που αυτοί εισάγουν, καθώς και στην ανίσωση ασφαλείας που ισχύει κατά περίπτωση για τη σεισμική «ζήτηση» και τη σεισμική «ικανότητα», με αναλυτική παρουσίαση των κατά περίπτωση συντελεστών ασφαλείας που ισχύουν για τα υλικά, τις μεθόδους ανάλυσης, την αξιοπιστία των διαθέσιμων δεδομένων κλπ. Στο τρίτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται συνοπτικά το υπολογιστικό εργαλείο ANSRuop που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής και χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή όλων των αναλύσεων, γραμμικών ελαστικών, ιδιομορφικών, δυναμικών φασματικών, μη-γραμμικών στατικών (pushover) και μη-γραμμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας. Στη συνέχεια παρατίθενται και αναλύονται οι μαθηματικές σχέσεις που χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση των μελών οπλισμένου σκυροδέματος και την ποσοτικοποίηση των μεγεθών έντασης και παραμόρφωσης που υπεισέρχονται στην διαδικασία της σεισμικής αποτίμησης και ενίσχυσης. Στο τέταρτο Κεφάλαιο γίνεται εφαρμογή των μεθόδων αποτίμησης για τις τέσσερις κατασκευές με τις οποίες ασχολείται η διατριβή. Αυτές περιλαμβάνουν τη διερεύνηση των στατικών εκκεντροτήτων των κατασκευών (οι οποίες δίνουν ένδειξη για την ενδεχόμενη ανάπτυξη δυσμενούς στρεπτικής απόκρισης κατά το σεισμό η οποία οδηγεί σε περαιτέρω αύξηση των παραμορφώσεων), τη διερεύνηση των ιδιομορφικών χαρακτηριστικών τους, (ιδιοπεριόδων και ιδιομορφών), τη διεξαγωγή μη-γραμμικών στατικών αναλύσεων στο χώρο (pushover) για μια πρώτη εκτίμηση της συμπεριφοράς και των αδύνατων σημείων των κατασκευών, και τη διεξαγωγή δεσμών μη-γραμμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας για την ακριβή κατανόηση της σεισμικής απόκρισης και το λεπτομερή προσδιορισμό των αδύνατων αυτών σημείων. Στο πέμπτο Κεφάλαιο προτείνονται τρόποι ενίσχυσης για τις τρεις από τις κατασκευές του Κεφαλαίου 4, και διερευνάται η αποδοτικότητα και η επάρκεια της ενίσχυσης με χρήση των υπολογιστικών μεθόδων του Κεφαλαίου 4, ενώ εξετάζεται και το κατά πόσο ο τρόπος της ενίσχυσης πέτυχε το στόχο της μείωσης της στατικής εκκεντρότητας και συνεπώς οδήγησε σε μερική αποτροπή της στρεπτικής απόκρισης. Στο έκτο Κεφάλαιο γίνεται διερεύνηση της σχέσης ανάμεσα στις ανελαστικές και τις ελαστικές παραμορφώσεις που προκύπτουν υπολογιστικά από τη διεξαγωγή μη-γραμμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας και ελαστικών αναλύσεων (ισοδύναμης στατικής ή δυναμικής φασματικής) αντίστοιχα, ειδικά για την περίπτωση των μη-κανονικών κτιρίων με τα οποία ασχολείται η παρούσα διατριβή. Η σύγκριση αυτή είναι σημαντική, δεδομένου ότι σε πολύ μεγάλο βαθμό στην πράξη για τον προσδιορισμό των (ανελαστικών) παραμορφώσεων οι κανονισμοί επιτρέπουν χρήση ελαστικών αναλύσεων. Στο έβδομο Κεφάλαιο εισάγεται ένα απλό υπολογιστικό προσομοίωμα, με ένα κατακόρυφο στοιχείο ανά όροφο, με σκοπό την αναπαραγωγή της δυναμικής απόκρισης στο χώρο πλήρων, μη-κανονικών σε κάτοψη κατασκευών, αλλά και την περαιτέρω διερεύνηση της επιρροής της στατικής εκκεντρότητας στην απόκριση. Στο όγδοο Κεφάλαιο αξιοποιούνται τα αποτελέσματα των δεσμών μη-γραμμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας για μία από τις κατασκευές της διατριβής, καθώς και τα αποτελέσματα από αναλύσεις σεισμικής επικινδυνότητας για τον Ελλαδικό χώρο που έγιναν στα πλαίσια της διατριβής, για την σεισμική αποτίμηση σε πιθανοτικούς όρους, και συγκεκριμένα με εφαρμογή της μεθοδολογίας Cornell που δίνει το μέσο ετήσιο ρυθμό υπέρβασης μιας συγκεκριμένης Οριακής Κατάστασης σε ένα μέλος ή περιοχή μέλους ενός δομήματος. Τέλος, στο ένατο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα γενικά συμπεράσματα που προκύπτουν από την εφαρμογή των μεθόδων και διαδικασιών σεισμικής αποτίμησης και ενίσχυσης μη-κανονικών σε κάτοψη κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος. / This thesis deals with the problem of seismic performance assessment and strengthening of existing, asymmetric in-plan reinforced concrete buildings. In a highly seismic region such as Greece, the fact that the majority (over 70%) of existing buildings are not designed against earthquake loads constitutes a serious problem. Furthermore, the structural configuration of these buildings often is such that promotes torsional response during the earthquake, thus worsening their already poor performance. In addition to the technical and financial difficulties inherent in the seismic strengthening procedures, until now (i.e. before Eurocode 8 – Part 3 and the Greek Code for Structural Interventions - KANEPE) there was a lack of a framework of codes addressing the issues of the assessment of seismic performance and strengthening of existing buildings. This dissertation suggests computational tools and procedures for a detailed assessment of the seismic performance of this problematic category of structures, aiming to the understanding of their response and the identification of their “weak points” so that the strengthening procedure can focus exactly there. Four real buildings are used as specimens for this study, two of which were designed and constructed to be tested pseudo-dynamically. The four buildings are: the four-story apartment building that collapsed during the 1999 Athens earthquake; the municipal theater of Argostoli “O KEFALOS”; the three-story building that was constructed and pseudo-dynamically tested at the reaction wall facilities of the ELSA laboratory of the European Joint Research Centre in Ispra, Italy, and the two-story building that was constructed and pseudo-dynamically tested at the reaction wall facilities of the Laboratory of Structures of the Department of Civil Engineering of the University of Patras in Greece. The first Chapter of the thesis deals with the definition of the problem that is posed by the existence of a big majority of structures without adequate (or any) resistance to lateral, earthquake loads. Also present are brief references to the historical evolution of the Greek Seismic Codes, and to the practical difficulties of the assessment of seismic performance and strengthening. The second Chapter defines the targets of seismic performance assessment and strengthening according to modern Codes, looks into the Limit States that they induce, and the comparison of deformational capacity and demand, with a reference to the relevant safety factors. The third Chapter presents briefly the computational tool that was developed during the course of this PhD work, namely the computer program ANSRuop that was used to carry out all the analyses, including linear static, modal, multimodal response spectrum, nonlinear static (pushover) and nonlinear time-history analyses. Next are presented the analytical equations that are used for the modeling of reinforced concrete buildings, and the quantification of the terms of forces and deformations that are involved in the assessment and strengthening procedures. The fourth Chapter contains the application of the seismic performance assessment procedures to the four buildings of the thesis, including the identification of their static eccentricities in-plan (which give an indication or whether or not torsional response is to be expected during the earthquake, which leads to a magnification of the deformations), their dynamic characteristics (natural periods and modes of vibration), as well as the carrying out of sets of nonlinear time-history analyses aiming to the understanding of their seismic response and the detailed identification of their “weak points”. In the fifth Chapter, strengthening schemes are proposed for three of the buildings of the thesis, the efficiency and adequacy of which are investigated using the computational methods also used in the fourth Chapter. Special attention is made to whether the strengthening scheme succeeded in reducing the static eccentricities in-plan, which in turn leads to a reduction of the torsional response. The sixth Chapter investigates the relation between inelastic and elastic deformations, which are the results of nonlinear time-history analyses and elastic analyses (equivalent static or multimodal response spectrum), respectively. The seventh Chapter introduces a simple computational model with one vertical element per floor, which aims to the replication of the three-dimensional dynamic response of complex, asymmetric in-plan structures, but also to the further investigation of the effect of static eccentricity to the response. The eighth Chapter utilizes the results of the sets of the nonlinear time-history analyses for one of the buildings of the thesis, as well as the results of seismic risk analyses, which were also conducted within the framework of this PhD work, with an aim to the expression of the assessment of seismic performance in probabilistic terms (specifically with the application of a methodology proposed by Cornell, which leads to the mean annual rate of exceedance of a specific limit state at a structural member). Finally, the ninth Chapter presents the general conclusions that can be extracted from the application of the methods and procedures of seismic performance assessment and strengthening of existing, asymmetric in-plan reinforced concrete buildings.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύσσεται ο υδροδυναμικός και δομικός (μηχανολογικός) σχεδιασμός μιας υποθαλάσσιας κατασκευής για την απάντληση πετρελαίου σε μεγάλα βάθη. Η κατασκευή αποτελείταια από 6 διαφορετικά τμήματα. Ο μηχανολογικός σχεδιασμός ξεκίνησε με την προσαρμογή κατάλληλων προδιαγραφών για το κάθε εξάρτημα. Το πρώτο εξάρτημα από το οποίο ξεκίνησε η ανάλυση είναι τα καλώδια ενίσχυσης των οποίων το φορτίο προέντασης είναι ήδη γνωστό από τα κριτήρια σχεδιασμού και τον αρχικό σχεδιασμό και περιορίζεται στους 1000 τόνους (10000 kN). Πραγματοποιήθηκε η τελική επιλογή του υλικού και των χαρακτηριστικών που έπρεπε να έχει ώστε να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις του θαλάσσιου περιβάλλοντος. Ο κατακόρυφος αγωγός με βάση την φιλοσοφία ανάπτυξης του συστήματος θα έπρεπε να αποτελείται από επιμέρους τμήματα αγωγών πεπερασμένου μήκους, κατασκευασμένους από πολυαιθυλένιο οι οποίοι καλύπτουν το συνολικό επιχειρησιακό βάθος. Η αλληλεπίδραση του θαλασσίου ρεύματος με τον αγωγό (Fluid Structure Interaction) για την κάθε διαφορετική ταχύτητα του θαλασσίου προφίλ ώστε να αποφευχθεί η πιθανότητα εμφάνισης επαγώμενων στροβίλων που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ανεπιθύμητες ταλαντώσεις και σε κόπωση (Vortex Induced Vibration, VIV) τέθηκε σε πρώτη πρωτεραιότητα. Ο συνδυασμός αναλυτικών σχέσεων και πειραματικών δεδομένων από την βιβλιογραφία χρησιμοποιήθηκαν για να υπολογιστεί το μήκος των επιμέρους τμημάτων των αγωγών ώστε να περιοριστούν οι υψηλές εγκάρσιες μετατοπίσεις λόγω των ταλαντώσεων. Η μελέτη της διφασικής ροής πετρελαίου/ νερού σε κώδικα πεπερασμένων όγκων (FLUENT) πραγματοποιήθηκε τόσο για κατακόρυφη όσο και για κεκλιμένη θέση του αγωγού για να επιβεβαιωθεί ότι το αργό πετρέλαιο διατηρεί ανωστική πορεία προς την επιφάνεια ξεπερνώντας τις δυνάμεις τριβής που αναπτύσσονται λόγω της επαφής με τα τοιχώματα των αγωγών. Η ταχύτητα του μίγματος της εσωτερικής ροής καταγράφεται ώστε να ελεγχθεί η εσωτερική μεταβολή της πίεσης του αγωγού. Πιθανή υψηλή διαφοροποίηση της υδροστατικής πίεσης στο εσωτερικό του αγωγού σε σχέση με το εξωτερικό θα οδηγούσε σε επιπλέον φορτία στην δομή του αγωγού (ο αγωγός θα λειτουργούσε τοπικά ως πιεστικό δοχείο). Η προσομοίωση της εξωτερικής ροής γύρω από τμήμα του αγωγού με τα καλώδια ενίσχυσης τοποθετημένα στην περιφερειά του σε κώδικα πεπερασμένων όγκων FLUENT πραγματοποιήθηκε για τον προσδιορισμό των υδροδυναμικών συντελεστών στο εύρος ταχυτήτων 0.1-0.7 m/sec. Επίσης η μοντέλοποίηση αυτή έδειξε κατά πόσο η θέση των νημάτων επιρεάζει ή όχι την δημιουργία επαγώμενων στροβίλων γύρω από τον αγωγό. Η δομική ανάλυση με χρήση πακέτου πακέτου πεπερασμένων στοιχείων (NASTRAN/ PATRAN) έδειξε τα επίπεδα των μέγιστων τάσεων και μετατοπίσεων που αναπτύσσονται λόγω της ύπαρξης της δυναμικής πίεσης η οποία και καταπονεί τοπικά τους αγωγούς. Η αποθηκευτική δεξαμενή (πλωτήρας και συλλέκτης) σχεδιάστηκε με χρήση βασικών υπολογισμών ώστε να επιτευχθεί η κατάλληλη χωρητικότητα αλλά και η προδεγεγραμμένη άνωση. Ο προσδιορισμός των υδροδυναμικών συντελεστών πραγματοποιήθηκε σε FLUENT έτσι ώστε να διερευνηθεί το ροικό πεδίο γύρω από την δεξαμενή καθώς και το μέγεθος των δυνάμεων που μεταφέρονται στο σύστημα από την αλληλεπιδρασή της με το θαλάσσιο ρεύμα. Η δομή του πλωτήρα σχεδιάστηκε με χρήση βασικών δομικών υπολογισμών και η συνολική του συμπεριφορά κάτω από τα φορτία υδροστατικής πίεσης ελέγχθηκε με πεπερασμένα στοιχεία (NASTRAN/ PATRAN). Η δομή του συλλέκτη διαστασιολογήθηκε με βάση την επίδραση της δυναμικής πίεσης ένεκα της ροής γύρω του. Επίσης παρατίθονται οι βασικές δομικές αναλύσεις των συνδέσμων που χρησιμοποιήθηκαν για την ένωση των διαφόρων τμημάτων πλωτήρα και συλλέκτη. Το μοντέλο πλήρους κλίμακας αναπτύχθηκε με βάση τα πειράματα της υδροσήραγγας που πραγματοποιήθηκαν στην MARIN και με βάση του μοντέλου δυναμικής απόκρισης που δημιουργήθηκε στο ORCAFLEX από την SIREHNA. Σκοπός του μοντέλου πλήρους κλίμακας (με την χρήση NASTRAN/PATRAN) ήταν να εξομοιώσει την απόκριση του μοντέλου του ORCAFLEX το οποίο είχε ρυθμιστεί με βάση την υδροσήραγγα ώστε να υπολογιστούν οι δυνάμεις που μεταφέρονται στους δακτυλίους ενίσχυσης και τα φορτία (δυνάμεις και ροπές) που μεταφέρονται στο ενδιάμεσο στοιχείο. Τα δύο μοντέλα θα έπρεπε να εμφανίζουν την ίδια μέγιστη μετατόπιση ώστε να θεωρηθούν όμοια. Στην φάση αυτή τα καλώδια ενίσχυσης που μοντελοποιούνται με μονοδιάστατα στοιχεία στο NASTRAN/PATRAN . Το ενδιάμεσο στοιχείο αποτέλεσε το εξάρτημα στο οποίο μεταφέρονται τα φορτία του αγωγού στο σημείο σύνδεσης (δυνάμεις και οι ροπές) καθώς και οι δυνάμεις από τα καλώδια ενίσχυσης. Η δομική του ανάλυση περιλαμβάνει την διαστασιολόγηση του με βασικούς υπολογισμούς και την χρήση πεπερασμένων στοιχείων για τον έλεγχο τοπικών υπεφορτίσεων που δεν ήταν εφικτό να προσδιοριστούν με αναλυτικές σχέσεις. Ο θόλος επιρεάζεται από την ταχύτητα των θαλασσίων ρευμάτων που κινούνται γύρω του και αποτελούν τις κύριες δυνάμεις που τον επιρεάζουν. Η μοντελοποίηση της δυναμικής πίεσης πάνω στον αγωγό γίνεται με την χρήση υδροδυναμικού μοντέλου σε FLUENT ενώ η δομική του αντοχή προσδιορίστηκε με χρήση μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων σε NASTRAN/ PATRAN. Οι δυνάμεις μεταφέρονταν στα καλώδια ενίσχυσης του θόλου που με την σειρά τους τις μμετέφεραν στο σύστημα αγκύρωσης στον βυθό. Το σύστημα αγκύρωσης διαστασιολογείται με αναλυτικούς υπολογισμούς από την βιβλιογραφία με βάση την μέγιστη δύναμη που μεταφέρεται από τα καλώδια αγκύρωσης του θόλου. Οι διαστάσεις του είναι συνάρτηση τόσο της σύστασης του βυθού όσο και της μέγιστης επιτρεπόμενης διάστασης που επιλέγεται από τα πλοία που συμμετέχουν στην ανάπτυξη του συστήματος. Τα βασικά συμπεράσματα που προέκυψαν από την ανάλυση ήταν η δυνατότητα της περαιτέρω ανάπτυξης του συστήματος σε ρηχά και πολύ βαθιά ύδατα καθώς και η ανάγκη για την μείωση του χρόνου κατασκευής ώστε να αυξηθεί η αποδοτικότητα του συστήματος. / In this PhD work, the mechanical design of a Sub sea Oil Recovery Structure is carried out. The structure is consisted of 6 different parts. The mechanical design methodology starts with the calculation of the diameter of the mooring lines for a tension force of 10000 kN. The fluid/ structure interaction is a design aspect for the Riser tube. Analytical equations were used to identify the dimensions of each riser tube’s part in order to avoid Vortex Induced Vibrations (VIV). As a second step, the oil upward movement into the riser tube was investigated. The buoyancy flow was examined using CFD analysis for both, vertical and inclined tube position to confirm that the crude oil could overcome the frictional forces due to contact with the internal tube’s wall. The external flow field around the riser tube, with the mooring lines along its periphery, was investigated in order to calculate the hydrodynamic coefficients for a range from 0.1 to 0.7 m/sec. This analysis was necessary since it helps to quantify the hydrodynamic load for the structural analysis. The structural analysis for the riser tube parts was performed using FEM and it was used for the study of the behavior under “local” loads such as the sea current’s dynamic pressure. The Buffer Bell’s analysis is based on the prediction of hydrodynamic coefficients (obtained from CFD analysis) and the use of a FE model for the structural analysis of the Buffer Bell hull subject to the hydrostatic pressure. The maximum displacement of the system due to the sea currents was also examined. A scale model test was performed in a water tunnel and a dynamic response model was created in order to predict the system’s behavior under operational loads and during the deployment phase. Additional, a FE model was developed to predict the loads (forces and moments) acting on the stiffening rings and the dome interface unit during the operational scenario. This FE model was compared with the Dynamic Response Model for the maximum displacement criterion. The maximum loads (forces and moments) from the Maximum Displacement FE model was used for the calculation of the dimensions of the stiffening ring and the dome interface unit. Finite element models were developed for these two components. A CFD analysis was performed to investigate the pressure distribution over the surface of the Dome. This pressure load and the reaction forces resulted from the analysis of the Dome Interface Unit were used to calculate the stresses faced by the Dome and the total force applied on the mooring system. For the dimensioning of the anchoring system, the highest force calculated for the mooring lines was chosen. The volume of cement for the anchoring system was calculated in order to withstand this force. Analytical equations were used to secure the anchor’s stability on different types of seabed (cohesion or cohesion less). At the end, the maximum calculated force on the mooring line was compared against the force resulted during the first step in order to confirm that fracture does not occur. The conclusions from this analysis is that the system can be applied to all depths (shallow waters, ultra deep waters) but also the final erection time should be minimized in order to increase the system’s efficiency.

Non-stationary signals, that is signals with time-varying (TV) statistical properties, are commonly encountered in engineering practice. The vibration responses of structures, such as traffic-excited bridges, robotic devices, rotating machinery, and so on, constitute typical examples of non-stationary signals. Structures characterized by properties that vary with time are generally referred as TV structures and their vibration-based identification under normal operating conditions is a significant and challenging problem. An important class of parametric methods for the solution of this problem is based on Functional Series Time-dependent AutoRegressive Moving Average (FS-TARMA) models. These models have parameters that explicitly depend on time, with the dependence described by deterministic functions belonging to specific functional sub-spaces. The focus of the present thesis is on the development of complete and advanced FS-TARMA methods that will offer important improvements in overcoming drawbacks of existent methods and will further foster practical use and application of FS-TARMA models in non-stationary vibration analysis. The specific objectives of the thesis are: a) The introduction of a novel class of Adaptable FS-TARMA (AFS-TARMA) models and the development of a method for their effective identification. AFS-TARMA models are adaptable in the sense that they are not based on basis functions of a fixed form, but instead, they use basis functions with a-priori unknown properties that may adapt to the specific random signal characteristics. b) The postulation of a vector FS-TARMA method for output-only structural identification and the development of effective tools for both model parameter estimation and model structure selection. c) The introduction of a statistical method for vibration-based fault diagnosis in TV structures. d) The presentation of a thorough review on FS-TARMA models covering both theoretical and practical aspects of the model parameter estimation and structure selection problems with special emphasis being placed on promising recent methods. The methods that are developed in each chapter of this thesis are validated through their application in both numerical and experimental case studies and comparisons with currently available non-stationary signal identification methods. The results of the study demonstrate the new methods' applicability, effectiveness, and high potential for parsimonious and accurate identification and dynamic analysis of TV structures. / Μη-στάσιμα σήματα, δηλαδή σήματα με χρονικά μεταβαλλόμενες (ΧΜ) στατιστικές ιδιότητες, απαντώνται συχνά στην επιστήμη του μηχανικού. Τυπικά παραδείγματα αποτελούν οι ταλαντωτικές αποκρίσεις κατασκευών, όπως γέφυρες με κινούμενα οχήματα, ρομποτικές διατάξεις, περιστρεφόμενες μηχανές και άλλες. Κατασκευές που χαρακτηρίζονται από ιδιότητες οι οποίες μεταβάλλονται με τον χρόνο αναφέρονται ως ΧΜ κατασκευές και η δυναμική αναγνώριση και ανάλυση τους επί τη βάση ταλαντωτικών σημάτων απόκρισης αποτελεί σημαντικό και ταυτόχρονα δύσκολο πρόβλημα. Μια σημαντική τάξη παραμετρικών μεθόδων για την επίλυση αυτού του προβλήματος βασίζεται στα συναρτησιακά χρονικά μεταβαλλόμενα μοντέλα αυτοπαλινδρόμησης κινητού μέσου όρου (FS-TARMA, Functional Series Time-Dependent Auto-Regressive Moving Average). Τα μοντέλα αυτά χαρακτηρίζονται απο ΧΜ παραμέτρους οι οποίες ακολουθούν καθοριστικό πρότυπο και κατά συνέπεια μπορούν να προβληθούν σε κατάλληλα επιλεγμένους συναρτησιακούς υποχώρους. Ως βασικός στόχος της παρούσας διατριβής ορίζεται η ανάπτυξη εξελιγμένων μεθόδων μοντελοποίησης FS-TARMA οι οποίες θα προσφέρουν σημαντικές βελτιώσεις στις υπάρχουσες προσεγγίσεις και θα βοηθήσουν στην αντιμετώπιση πρακτικών προβλημάτων που σχετίζονται τόσο με την αναγνώριση των δυναμικών χαρακτηριστικών όσο και την διάγνωση βλαβών σε ΧΜ κατασκευές. Οι συγκεκριμένοι στόχοι της διατριβής μπορούν να περιγραφούν ως ακολούθως: α) Εισαγωγή καινοτόμων προσαρμόσιμων μοντέλων FS-TARMA και ανάπτυξη κατάλληλης μεθόδου για την αποτελεσματική εκτίμηση τους. Τα νέα μοντέλα είναι προσαρμόσιμα υπό την έννοια ότι δεν βασίζονται σε προκαθορισμένες συναρτήσεις βάσης, αλλά αντιθέτως χρησιμοποιούν συναρτήσεις βάσης με εκ των προτέρων άγνωστες ιδιότητες οι οποίες μπορούν να προσαρμοστούν στα χαρακτηριστικά συγκεκριμένου σήματος. β) Ανάπτυξη διανυσματικής μεθόδου εκτίμησης μοντέλων FS-TARMA για την αναγνώριση κατασκευών μέσα από διανυσματικά σήματα ταλαντωτικής απόκρισης. Ανάπτυξη αποδοτικών εργαλείων τόσο για το πρόβλημα εκτίμησης των παραμέτρων όσο και της επιλογής της δομής του μοντέλου. γ) Εισαγωγή στατιστικής μεθόδου για την διάγνωση βλαβών σε ΧΜ κατασκευές μέσω μοντέλων FS-TAR. δ) Παρουσίαση μιας διεξοδικής επισκόπησης των μοντέλων FS-TARMA η οποία καλύπτει τόσο θεωρητικά όσο και πρακτικά ζητήματα των προβλημάτων εκτίμησης των παραμέτρων και επιλογής της δομής των μοντέλων. Η αποτελεσματικότητα των μοντέλων και των μεθόδων που αναπτύσσονται σε κάθε κεφάλαιο αυτής της διατριβής διερευνάται µέσω της εφαρµογής τους τόσο σε αριθµητικές όσο και πειραµατικές µελέτες και συγκρίσεις µε υπάρχουσες µη-στάσιµες µεθόδους αναγνώρισης σηµάτων. Τα αποτελέσματα της εργασίας αυτής επιδεικνύουν την ικανότητα των νέων μοντέλων να παρέχουν εξαιρετικά ακριβείς αναπαραστάσεις ΧΜ κατασκευών κατάλληλων τόσο για την δυναμική ανάλυση όσο και για την διάγνωση βλαβών σε αυτές.

The scope of this thesis is to reveal, identify and investigate promising routes for developing multifunctional composite structures with damage sensing capabilities towards the development of integrated non-destructive inspection (NDI) and structural health monitoring (SHM) capabilities. Two routes were identified and selected for further investigation; the enhancement of multifunctionality of composite systems through the use of nanotechnology and the development of novel damage sensing techniques based on the electrical properties of the composites. Both were selected in the view of better integration of NDI/SHM functionality. Initially, the use of nanotechnology to control the properties of polymer foam systems as part of multifunctional sandwich composite structures has been validated and proven feasible. Electrically conductive nano-composite foams were developed at a varying range of densities. The level of conductivity was controlled by the CNT concentration. The underlying mechanisms for the formation of the CNT network were analyzed closely and as a result a practical processing-structure-property map was proposed for describing the material capabilities. Towards the development of self-sensing functionality, the established electrical conductivity was studied as an index of strain and damage in nano-composite foams. A 1D electrical resistance sensing approach was followed during mechanical compression testing (Electrical Resistance Change Method – ERCM). The variations of the recordings revealed the strain and damage formation within the material. The distinct regions in the response curve were correlated to micro-structural strain and damage mechanisms, effectively demonstrating the capability to develop multifunctional structural materials with self-sensing capabilities. In the direction of novel sensing techniques, answering to the need for an electrical based approach that is transferable and scalable to 2D and even further to more complex 3D shell geometries, the concept of Electrical tomography and the ET inverse problem solution were proposed and studied as a tool for NDI and damage assessment of composite materials. The approach is based on the inherent electrical conductivity of the material and leads the step from conventional 1D electrical sensing to 2D imaging, offering a viable route for utilizing electrical sensing techniques in real applications. The technique delivers a conductivity change map which corresponds to the studied geometry and changes in conductivity are correlated with real damage. For each map, two features were extracted through automated algorithms; the Centre of Interest and the corresponding Region of Interest. It was found that the sensing principle was sensitive enough to extremely small variations of conductivity (less than 0.1% of the inspected area). The post-processing and feature extraction technique was effective in indicating to the location of the developed damage. Taking a step further, the knowledge of the composite material microstructure and expected failure modes have been translated and formulated into an additional mathematical constraint. The formulation is applied to constrain the solution of the ERT inverse problem greatly enhancing the solution and the damage localization in ERT. A concept for merging the two proposed routes for the development of multifunctional structures is then proposed and investigated. The establishment of a conductive 3D network of CNT is exploited using the previously formulated tomographic approaches. The development of a continuous artificial 3D CNT network within the matrix of a structural composite has been shown to provide electrical conductivity to previously non-conductive composites. This 3D network is used for the damage assessment of the composite as any structural damage introduced discontinuities in the 3D network which are located using tomographic approaches. ERT was applied providing 2D imaging for the NDI of composites based on electrical measurements taken from a CNT doped GFRP, effectively sensing variations in the electrical fields and identifying the location of the induced damage. Having shown that ERT can provide useful information on the health/damage state of composite materials, a step further was taken to identify the required steps to apply ERT to larger composite components with more complex geometry. The studied cylindrical component provided a case study to demonstrate the procedure for applying ERT to existing structural components while formulating the ERT inverse problem to cover cases that could not be covered with the up-to-date formulations. In parallel, an alternative approach for post-processing the electrical measurements taken using ET was proposed; the dipole technique. This observational technique was described, formulated and applied to the available experimental data. It was concluded that the dipole technique is effective in delivering a swarm of Damage Estimation Locations which formed convex Region of Interest, effectively locating the damage with small relative error and large inspection area suppression (reaching over 90%). Finally, a practical electrical-based approach was formulated for monitoring a real case of aeronautical component. The goal for monitoring the integrity of composite patch repair on an aluminium component was achieved by proposing a mapping technique to translate distributed 1D electrical measurements to a 2D damage probability map. The proposed approach was formulated theoretically and verified on experimental level under simulated service conditions. It was concluded that the technique can effectively identify the location of damage which was verified by thermographic imaging techniques. This final approach essentially bridges the area between 1D ERCM techniques on specimen level and the ERT approach proposed in this thesis. / Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση, η αναλυτική μελέτη και η αποτίμηση της εφαρμογής νέων υλικών και μεθοδολογιών για την ανάπτυξη πολύ-λειτουργικών κατασκευών από Σύνθετα Υλικά (ΣΥ) με ικανότητα ανίχνευσης βλάβης. Πιο συγκεκριμένα, προτείνονται και μελετώνται δύο κατευθύνσεις: η ανάπτυξη νέων λειτουργιών και η ενίσχυση της πολυ-λειτουργικότητας των συνθέτων υλικών με χρήση νανοτεχνολογίας, και η ανάπτυξη νέων μεθοδολογιών για την ανίχνευση της βλάβης που να είναι βασισμένες στις ηλεκτρικές ιδιότητες του υλικού. Αμφότερες επιλέχθηκαν με στόχο την καλύτερη ενσωμάτωση της ικανότητας ανίχνευσης βλάβης με καινοτόμες μη καταστροφικές μεθόδους. Αρχικά, η χρήση νανοτεχνολογίας και συγκεκριμένα Νανο-Σωλήνων Άνθρακα (ΝΣΑ) για τον έλεγχο των ιδιοτήτων παραγόμενων πολυμερών αφρών ως συνιστώσα πολυλειτουργικών ΣΥ τύπου sandwich προτάθηκε, μελετήθηκε και αποδείχτηκε εφικτή. Αναπτύχθηκε η μεθοδολογία για την παραγωγή και κατασκευή ηλεκτρικά αγώγιμων νανοσύνθετων πολυμερών αφρών ως φορέων πολύ-λειτουργικότητας. Με χρήση τεχνικών διασποράς παρήχθησαν νανοσύνθετου αφροί ενισχυμένοι με Νανο-Σωλήνες Άνθρακα (ΝΣΑ) σε διάφορες περιεκτικότητες ΝΣΑ και πυκνότητες. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα των αφρών μελετήθηκε ως προς τους δύο αυτές μεταβλητές και με χρήση στατιστικών μοντέλων περιγράφηκε η τελική ιδιότητα των υλικών. Τέλος, προτείνεται ένας χάρτης συσχέτιση μεταξύ παραμέτρων επεξεργασίας-δομής-ιδιότητας. Έχοντας αναπτύξει ηλεκτρικά αγώγιμους αφρούς, στη συνέχεια μελετήθηκε η εφαρμογή ηλεκτρικών μεθόδων παρακολούθησης για την ανίχνευση παραμόρφωσης και βλάβης σε αυτά τα συστήματα υλικών. Η ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος ηλεκτρικής ανίχνευσης Electrical Resistance Change Method (ERCM) διερευνήθηκε και αποδείχθηκε αποτελεσματική για τη αξιολόγηση της αναπτυσσόμενης βλάβης κατά τη διάρκεια πειραμάτων συμπίεσης των αφρών. Βάσει των αποτελεσμάτων προτείνεται μια χαρακτηριστική καμπύλη για το συσχετισμό της ηλεκτρικής μέτρησης και των διαφορετικών σταδίων της μηχανικής απόκρισης. Η καμπύλη αυτή καλύπτει ένα σημαντικό εύρος πυκνοτήτων σε αφρούς. Στην κατεύθυνση των νέων μεθοδολογιών ανίχνευσης βλάβης προτείνεται μια μεθοδολογία που βασίζεται στη διαφοροποίηση του αναπτυσσόμενου ηλεκτρικού πεδίου παρουσία βλάβης και αξιοποιώντας ηλεκτρικές μεθόδους 1-Διάστασης (ERCM) προτείνεται μία μεθοδολογία με εφαρμογή στις 2-Διαστάσεις για την αξιολόγηση βλάβης σε σύνθετα υλικά. Η μέθοδος ERCM έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία σε μια σειρά από μελέτες μικρής κλίμακας, αλλά οι πραγματικές εφαρμογές της απαιτούν εργαλεία απεικόνισης σε 2-Διαστάσεις και 3-Διαστάσεις για το Μη Καταστροφικό Έλεγχο (ΜΚΕ) των κατασκευών. Το πρόβλημα που τοποθετείτε και επιλύεται είναι αυτό της ανίχνευσης και του εντοπισμού βλάβης σε σύνθετα υλικά με συνεχείς ίνες άνθρακα με χρήση κατανεμημένων μετρήσεων του ηλεκτρικού πεδίου και μεθοδολογιών αντίστροφων προβλημάτων. Περιγράφεται η ιδέα της ηλεκτρικής τομογραφίας με την περιγραφή του ευθέως και του αντιστρόφου προβλήματος. Παρουσιάζεται το σύστημα που αναπτύχθηκε για τους σκοπούς της παρούσας εργασίας και εκτελείται τόσο θεωρητική όσο και πειραματική μελέτη του προβλήματος. Διατυπώνεται η μεθοδολογία επίλυσης του αντίστροφου προβλήματος ηλεκτρικής τομογραφίας και εφαρμόζεται η προκειμένου να υπολογιστούν 2-Δ χάρτες ελέγχου των σύνθετων τμημάτων ως εργαλεία για το ΜΚΕ τους. Η τεχνική αποδεικνύεται ευαίσθητη σε πολύ μικρές βλάβες (<0.1% της παρακολουθούμενης επιφάνειας) και ικανοποιητικά ακριβής στον εντοπισμό της βλάβης καθώς οι εκτιμήσεις της μεθοδολογίας επεξεργασίας αποκλίνουν περίπου 10% από την πραγματική θέση. Η περιοχή ενδιαφέροντος που προσδιορίζεται συμπιέζει έως και 90% την περιοχή ελέγχου. Έχοντας αναδείξει την ευαισθησία και την αποτελεσματικότητα της μεθόδου της Ηλεκτρικής Τομογραφίας στη συνέχεια μελετάται η δυνατότητα συγχώνευσης των δύο προτεινόμενων κατευθύνσεων δηλαδή της χρήση φάσης στη νανο-κλίμακα και ηλεκτρικών τεχνικών παρακολούθηση βλάβης. Διερευνώνται έτσι συνδυαστικές προσεγγίσεις που επιτρέπουν την ανάπτυξη δομικών συστημάτων με ικανότητα ανίχνευσης βλάβης αξιοποιώντας το 3-διάστατο ανεπτυγμένο δίκτυο ΝΣΑ εντός των ΣΥ μέσω ηλεκτρικής τομογραφίας. Η μεθοδολογία επεξεργασίας και διασποράς ΝΣΑ που αναπτύχθηκε προηγούμενα χρησιμοποιείται για την κατασκευή αγώγιμων δομικών πλακών με ίνες γυαλιού. Ηλεκτρική τομογραφία για την ανίχνευση και τον εντοπισμό βλάβης εφαρμόζεται και αξιολογείται η αποτελεσματικότητα της προσέγγισης για ΜΚΕ. Τα αποτελέσματα είναι εξίσου ενθαρρυντικά και επιτυχή αναδεικνύοντας την πρακτικότητα του συστήματος που προτάθηκε. Κατανοώντας την ανάγκη για εφαρμογή της προτεινόμενης τεχνικής ΜΚΕ σε κατασκευές από σύνθετα υλικά μεγαλύτερης κλίμακας και διαφορετικής γεωμετρίας, στη συνέχεια γίνεται μελέτη προς την κατεύθυνση της ωρίμανσης της μεθοδολογίας της Ηλεκτρικής Τομογραφίας. Η μεθοδολογία αναπτύσσεται και εφαρμόζεται σε πειραματικό επίπεδο σε κυλινδρικές δομές. Τα βήματα για τη μετάβαση αυτή από επίπεδες δομές ΣΥ προσδιορίζονται και περιγράφονται ως παράμετροι σχεδιασμού για το σύστημα Ηλεκτρικής Τομογραφίας. Παρουσιάζονται επίσης περιπτώσεις μελέτης μέσω προσομοίωσης καθώς και πειραματικά αποτελέσματα από την εφαρμογή της μεθοδολογίας σε κυλινδρικές δομές από ΣΥ. Μια εναλλακτική προσέγγιση επεξεργασίας των δεδομένων ηλεκτρικής τομογραφίας για τον υπολογισμό σημειακών εκτιμήσεων της θέσης βλάβης προτείνεται και αξιολογείται ακολούθως. Η προτεινόμενη μεθοδολογία βασίζεται στην τεχνική του Ηλεκτρικού Δίπολου και εφαρμόζεται για την ανίχνευση βλάβης στις περιπτώσεις που αναπτύχθηκαν και διερευνήθηκαν προηγούμενα. Γίνεται αναλυτική σύγκριση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν με τα υπάρχοντα δεδομένα και αποτιμάται η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθόδου και τα όρια της. Τέλος, η εμπειρία που αποκτήθηκε, τα εργαλεία που αναπτύχτηκαν και η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε εφαρμόζεται σε μια πραγματική περίπτωση αεροπορικής δομής. Η περίπτωση που μελετάται είναι αυτή της δομικής ακεραιότητας επιθεμάτων από σύνθετα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την επισκευή βλάβης σε μεταλλικές κατασκευές από Αλουμίνιο, με χρήση της μεθόδου της ηλεκτρικής τομογραφίας. Η τεχνική που προτείνεται και αξιολογείται χρησιμοποιεί κατανεμημένες ηλεκτρικές μετρήσεις αντίστασης και υπολογίζει έναν διδιάστατο χάρτη του επιθέματος που αποτυπώνει τη χωρική κατανομή της πιθανότητα ύπαρξης βλάβης. Η τεχνική εφαρμόζεται πειραματικά στο κατακόρυφο ουραίο τμήμα ενός ελικοπτέρου και τα αποτελέσματα αξιολογούνται σε σύγκριση με συμβατικές μεθόδους ΜΚΕ.

This thesis addresses the identification of stochastic systems operating under different conditions, based on data records corresponding to a sample of such operating conditions. This topic is very important, as systems operating under different, though constant conditions at different occasions (time intervals) are often encountered in practice. Typical examples include mechanical, aerospace or civil structures that operate under different environmental conditions (temperature or humidity, for instance) on different occasions (period of day, and so on). Such different operating conditions may affect the system characteristics, and therefore its dynamics. Given a set of data records corresponding to distinct operating conditions, it is most desirable to establish a single global model capable of describing the system throughout the entire range of admissible operating conditions. In the present thesis this problem is treated via a novel stochastic Functional Pooling (FP) identification framework which introduces functional dependencies (in terms of the operating condition) in the postulated model structure. The FP framework offers significant advantages over other methods providing global models by interpolating a set of conventional models (one for each operating condition), as it: (i) treats data records corresponding to different operating conditions simultaneously, and fully takes cross-dependencies into account thus yielding models with optimal statistical accuracy, (ii) uses a highly parsimonious representation which provides precise information about the system dynamics at any specified operating condition without resorting to customary interpolation schemes, (iii) allows for the determination of modeling uncertainty at any specified operating condition via formal interval estimates. To date, all research efforts on the FP framework have concentrated in identifying univariate (single excitation-single response) stochastic models. The present thesis aims at (i) properly formulating and extending the FP framework to the case of multivariate stochastic systems operating under multiple operating conditions, and (ii) introducing an approach based on multivariate FP modeling and statistical hypothesis testing for damage detection under different operating conditions. The case of multivariate modeling is more challenging compared to its univariate counterpart as the couplings between the corresponding signals lead to more complicated model structures, whereas their nontrivial parametrization raises issues on model identifiability. The main focus of this thesis is on models of the Functionally Pooled Vector AutoRegressive with eXogenous excitation (FP-VARX) form, and Vector AutoRegressive Moving Average (FP-VARMA) form. These models may be thought of as generalizations of their conventional VARX/VARMA counterparts with the important distinction being that the model parameters are explicit functions of the operating condition. Initially, the identification of FP-VARX models is addressed. Least Squares (LS) and conditional Maximum Likelihood (ML) type estimators are formulated, and their consistency along with their asymptotic normality is established. Conditions ensuring FP-VARX identifiability are postulated, whereas model structure specification is based upon proper forms of information criteria. The performance characteristics of the identification approach are assessed via Monte Carlo studies, which also demonstrate the effectiveness of the proposed framework and its advantages over conventional identification approaches based on VARX modeling. Subsequently, an experimental study aiming at identifying the temperature effects on the dynamics of a smart composite beam via conventional model and novel global model approaches is presented. The conventional model approaches are based on non-parametric and parametric VARX representations, whereas the global model approaches are based on parametric Constant Coefficient Pooled (CCP) and Functionally Pooled (FP) VARX representations. Although the obtained conventional model and global representations are in rough overall agreement, the latter simultaneously use all available data records and offer improved accuracy and compactness. The CCP-VARX representations provide an ``averaged'' description of the structural dynamics over temperature, whereas their FP-VARX counterparts allow for the explicit, analytical modeling of temperature dependence, and attain improved estimation accuracy. In addition, the identification of FP-VARMA models is addressed. Two-Stage Least Squares (2SLS) and conditional ML type estimators are formulated, and their consistency and asymptotic normality are established. Furthermore, an effective method for 2SLS model estimation featuring a simplified procedure for obtaining residuals in the first stage is introduced. Conditions ensuring FP-VARMA model identifiability are also postulated. Model structure specification is based upon a novel two-step approach using Canonical Correlation Analysis (CCA) and proper forms of information criteria, thus avoiding the use of exhaustive search procedures. The performance characteristics of the identification approach are assessed via a Monte Carlo study, which also demonstrates the effectiveness of the proposed framework over conventional identification approaches based on VARMA modeling. An approach based on the novel FP models and statistical hypothesis testing for damage detection under different operating conditions is also proposed. It includes two versions: the first version is based upon the obtained modal parameters, whereas the second version is based upon the discrete-time model parameters. In an effort to streamline damage detection, procedures for compressing the information carried by the modal or the discrete-time model parameters via Principal Component Analysis (PCA) are also employed. The effectiveness of the proposed damage detection approach is assessed on a smart composite beam with hundreds of experiments corresponding to different temperatures. In its present form, the approach relies upon response (output-only) vibration data, although excitation-response data may be also used. FP-VAR modeling is used identify the temperature dependent structural dynamics, whereas a new scheme for model structure selection is introduced which avoids the use of exhaustive search procedures. The experimental results verify the capability of both versions of the approach to infer reliable damage detection under different temperatures. Furthermore, alternative methods attempting removal of the temperature effects from the damage sensitive features are also employed, allowing for a detailed and concise comparison. Finally, some special topics on global VARX modeling are treated. The focus is on the identification of the Pooled (P) and Constant Coefficient Pooled (CCP) VARX model classes. Although both model classes are of limited scope, they are useful tools for global model identification. In analogy to the FP-VARX/VARMA model case, the LS and conditional ML type estimators are studied for both model classes, whereas conditions ensuring model identifiability are also postulated. The relationships interconnecting the P-VARX and CCP-VARX models to the FP-VARX models in terms of compactness and achievable accuracy are studied, whereas their association to the conventional VARX models is also addressed. The effectiveness and performance characteristics of the novel global modeling approaches are finally assessed via Monte Carlo studies. / Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται την αναγνώριση πολυμεταβλητών στοχαστικών συστημάτων που παρουσιάζουν πολλαπλές συνθήκες λειτουργίας, βασιζόμενοι σε δεδομένα που αντιστοιχούν σε ένα δείγμα ενδεικτικών συνθηκών λειτουργίας. Η σπουδαιότητα του προβλήματος είναι μεγάλη, καθώς στην πράξη συναντώνται πολύ συχνά συστήματα όπου οι επιμέρους συνθήκες λειτουργίας παραμένουν σταθερές ανά χρονικά διαστήματα. Τυπικά παραδείγματα περιλαμβάνουν μηχανολογικές, αεροναυτικές και δομικές κατασκευές που λειτουργούν κάτω από διαφορετικές συνθήκες (π.χ. θερμοκρασίας και/ή υγρασίας) σε διαφορετικές συνθήκες (π.χ. περίοδος της ημέρας). Οι διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας ενδέχεται να επηρεάσουν ένα σύστημα και ως εκ τούτου τα δυναμικά χαρακτηριστικά του. Λαμβάνοντας υπόψη ένα σύνολο δεδομένων που αντιστοιχούν σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας, είναι επιθυμητή η εύρεση ενός "γενικευμένου" μοντέλου ικανού να περιγράψει το σύστημα σε όλο το φάσμα των αποδεκτών συνθηκών λειτουργίας. Στην παρούσα διατριβή το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίζεται μέσω ενός καινοτόμου πλαισίου αναγνώρισης στοχαστικών μοντέλων Συναρτησιακής Σώρευσης (stochastic Functional Pooling Framework), το οποίο εισάγει συναρτησιακές εξαρτήσεις (αναφορικά με την κατάσταση λειτουργίας) στην δομή του μοντέλου. Το συγκεκριμένο πλαίσιο Συναρτησιακής Σώρευσης προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλες μεθόδους εύρεσης γενικευμένων μοντέλων που χρησιμοποιούν μεθόδους παρεμβολής (interpolation) σε ένα σύνολο συμβατικών μοντέλων (ένα για κάθε συνθήκη λειτουργίας), όπως: (i) Η ταυτόχρονη διαχείριση δεδομένων που αντιστοιχούν σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας, καθώς και η διευθέτηση των αλληλοεξαρτήσεων μεταξύ δεδομένων που ανήκουν σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας παρέχοντας με τον τρόπο αυτό μοντέλα με βέλτιστη στατιστική ακρίβεια, (ii) η χρήση συμπτυγμένων μοντέλων τα οποία περιγράφουν με ακρίβεια τα δυναμικά χαρακτηριστικά του συστήματος σε κάθε κατάσταση λειτουργίας, αποφεύγοντας έτσι την χρήση συμβατικών μεθόδων παρεμβολής, (iii) ο προσδιορισμός των αβεβαιοτήτων στη μοντελοποίηση κάθε κατάστασης λειτουργίας μέσω εκτίμησης κατάλληλων διαστημάτων εμπιστοσύνης. Μέχρι στιγμής, η έρευνα πάνω στο πλαίσιο Συναρτησιακής Σώρευσης έχει επικεντρωθεί στα βαθμωτά στοχαστικά μοντέλα. Η παρούσα διατριβή σαν στόχο έχει (i) την κατάλληλη διαμόρφωση και επέκταση του πλαισίου Συναρτησιακής Σώρευσης για την περίπτωση πολυμεταβλητών στοχαστικών συστημάτων που λειτουργούν με πολλαπλές συνθήκες λειτουργίας , και (ii) την εισαγωγή μιας καινοτόμου μεθοδολογίας ανίχνευσης βλαβών για συστήματα που παρουσιάζουν πολλαπλές συνθήκες λειτουργίας βασιζόμενη σε πολυμεταβλητά μοντέλα Συναρτησιακής Σώρευσης και στον στατιστικό έλεγχο υποθέσεων. Η περίπτωση των πολυμεταβλητών μοντέλων παρουσιάζει τεχνικές δυσκολίες που δεν συναντώνται στα βαθμωτά μοντέλα, καθώς η δομή των μοντέλων είναι πιο περίπλοκη ενώ η παραμετροποίησή τους είναι μη-τετριμμένη θέτοντας έτσι ζητήματα αναγνωρισιμότητας (model identifiability). Η παρούσα διατριβή εστιάζει σε Συναρτησιακά Σωρευμένα Διανυσματικά μοντέλα ΑυτοΠαλινδρόμησης με εΞωγενή είσοδο (Functionally Pooled Vector AutoRegressive with eXogenous excitation; FP-VARX), και σε Διανυσματικά μοντέλα ΑυτοΠαλινδρόμησης με Κινητό Μέσο Όρο (Functionally Pooled AutoRegressive with Moving Average; FP-VARMA). Τα μοντέλα αυτά μπορεί να θεωρηθούν ως γενικεύσεις των συμβατικών μοντέλων VARX/VARMA με την σημαντική διαφοροποίηση ότι οι παράμετροι του μοντέλου είναι συναρτήσεις της συνθήκης λειτουργίας. Το πρώτο κεφάλαιο της διατριβής επικεντρώνεται στην αναγνώριση μοντέλων FP-VARX. Αναπτύσσονται εκτιμήτριες βασισμένες στις μεθόδους των Ελαχίστων Τετραγώνων (Least Squares; LS) και της Μέγιστης Πιθανοφάνειας (Maximum Likelihood; ML), ενώ στη συνέχεια μελετώνται η συνέπεια (consistency) και η ασυμπτωτική κατανομή (asymptotic distribution)τους. Επιπλέον, καθορίζονται συνθήκες που εξασφαλίζουν την αναγνωρισιμότητα (identifiability) των FP-VARX μοντέλων, ενώ ο προσδιορισμός της δομής τους βασίζεται σε κατάλληλα τροποποιημένα κριτήρια πληροφορίας (information criteria). Η αποτίμηση της μοντελοποίησης με FP-VARX, καθώς επίσης και η αποτελεσματικότητά τους έναντι των συμβατικών μοντέλων VARX εξακριβώνεται μέσω προσομοιώσεων Monte Carlo. Στο δεύτερο κεφάλαιο διερευνάται η αναγνώριση των θερμοκρασιακών επιρροών στα δυναμικά χαρακτηριστικά μιας ευφυούς δοκού από σύνθετο υλικό. Το πρόβλημα μελετάται χρησιμοποιώντας συμβατικά μοντέλα καθώς και "γενικευμένα" μοντέλα. Η συμβατική μοντελοποίηση περιλαμβάνει μη-παραμετρικές παραστάσεις που βασίζονται στην μέθοδο Welch (ανάλυση στο πεδίο συχνοτήτων), καθώς και παραμετρικές παραστάσεις βασισμένες στα μοντέλα VARX (ανάλυση στο πεδίο χρόνου). H "γενικευμένη" μοντελοποίηση περιλαμβάνει παραστάσεις Σώρευσης με Σταθερές Παραμέτρους (Constant Coefficient Pooled VARX; CCP-VARX), καθώς και VARX παραστάσεις Συναρτησιακής Σώρευσης (Functionally Pooled VARX; FP-VARX). Η ανάλυση υποδεικνύει ότι τα χαρακτηριστικά των "γενικευμένων" και των συμβατικών μοντέλων βρίσκονται σε γενική συμφωνία μεταξύ τους. Ωστόσο, τα "γενικευμένα" μοντέλα περιγράφουν τα δυναμικά χαρακτηριστικά του συστήματος με μικρότερο αριθμό παραμέτρων, γεγονός που προσδίδει μεγαλύτερη ακρίβεια στην εκτίμησή τους. Το μοντέλο CCP-VARX τείνει να σταθμίσει τα δυναμικά χαρακτηριστικά του συστήματος σε κάποιον "μέσο όρο" με σχετική ακρίβεια. Απεναντίας το μοντέλο FP-VARX υπερέχει σε ακρίβεια, καθώς επιδεικνύει μια εξομαλυμένη καθοριστική εξάρτηση των δυναμικών χαρακτηριστικών του συστήματος με την θερμοκρασία, γεγονός που είναι συμβατό με την φυσική του προβλήματος. Το τρίτο κεφάλαιο επικεντρώνεται στην αναγνώριση μοντέλων FP-VARMA. Αναπτύσσονται εκτιμήτριες βασισμένες στις μεθόδους των Ελαχίστων Τετραγώνων Δύο Σταδίων (Two Stage Least Squares; 2SLS) και της Μέγιστης Πιθανοφάνειας (Maximum Likelihood; ML), ενώ στην συνέχεια μελετώνται η συνέπεια και η ασυμπτωτική κατανομή τους. Επιπλέον, εισάγεται μια νέα μέθοδος για την εκτίμηση 2SLS που απλοποιεί σημαντικά την διαδικασία εξαγωγής υπολοίπων (residuals) από το πρώτο στάδιο. Επίσης, καθορίζονται οι συνθήκες που εξασφαλίζουν αναγνωρισιμότητα στα μοντέλα FP-VARMA. Ο προσδιορισμός της δομής των μοντέλων FP-VARMA πραγματοποιείται χάρη σε μια μεθοδολογία δύο σταδίων που βασίζεται στην Ανάλυση Κανονικοποιημένων Συσχετίσεων (Canonical Correlation Analysis; CCA) και κριτηρίων πληροφορίας, αποφεύγοντας έτσι την εκτεταμένη χρήση αλγορίθμων αναζήτησης. Η αποτίμηση της μοντελοποίησης με FP-VARMA, καθώς επίσης και η αποτελεσματικότητά τους έναντι των συμβατικών VARMA εξακριβώνεται μέσω προσομοιώσεων Monte Carlo. Το τέταρτο κεφάλαιο πραγματεύεται την ανίχνευση βλαβών σε συστήματα που παρουσιάζουν πολλαπλές συνθήκες λειτουργίας. Προτείνεται μια νέα μεθοδολογία που βασίζεται σε καινοτόμα μοντέλα Συναρτησιακής Σώρευσης και στον στατιστικό έλεγχο υποθέσεων. Παρουσιάζονται δυο εκδόσεις της μεθοδολογίας: η πρώτη βασίζεται στα μορφικά χαρακτηριστικά του μοντέλου ενώ η δεύτερη στις παραμέτρους του μοντέλου. Επιπλέον, χρησιμοποιούνται μέθοδοι συμπίεσης της πληροφορίας που περιέχουν τα μορφικά χαρακτηριστικά ή οι παράμετροι του μοντέλου μέσω της Ανάλυσης Κύριων Συνιστωσών (Principal Component Analysis; PCA) σε μια προσπάθεια απλοποίησης της διαδικασίας ανίχνευσης βλαβών. Η αποτελεσματικότητα της μεθοδολογίας επαληθεύεται πειραματικά σε μια "ευφυή" δοκό από σύνθετο υλικό, η οποία ταλαντώνεται σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Στην παρούσα μορφή της η μεθοδολογία χρησιμοποιεί δεδομένα απόκρισης ταλάντωσης, ωστόσο δεδομένα διέγερσης-απόκρισης μπορούν να χρησιμοποιηθούν εφόσον κριθεί σκόπιμο. Η εξάρτηση των δυναμικών χαρακτηριστικών της δοκού με την θερμοκρασία περιγράφεται με τη χρήση μοντέλων FP-VAR, ενώ εισάγεται μια νέα μέθοδος καθορισμού της δομής του μοντέλου που αποφεύγει την χρήση αλγορίθμων αναζήτησης. Πλήθος πειραμάτων που καλύπτουν ένα ευρύ θερμοκρασιακό πεδίο, καθώς και συγκρίσεις με άλλες μεθοδολογίες ανίχνευσης βλαβών, πιστοποιούν την ικανότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας να διαγνώσει την κατάσταση της δοκού σε διάφορες θερμοκρασίες. Το πέμπτο κεφάλαιο ασχολείται με ειδικά θέματα μοντελοποίησης των "γενικευμένων" VARX . Ιδιαίτερη προσοχή δίνεται στην μελέτη Σωρευμένων VARX (P-VARX) και CCP-VARX μοντέλων. Σε αντιστοιχία με τα μοντέλα FP, αναπτύσσονται εκτιμήτριες LS και ML, ενώ στην συνέχεια μελετώνται οι ιδιότητές τους. Επιπλέον, καθορίζονται οι συνθήκες που εξασφαλίζουν την αναγνωρισιμότητα των μοντέλων P-VARX και CCP-VARX. Μελετώνται επίσης και οι σχέσεις που συνδέουν τις δομές των μοντέλων P-VARX και CCP-VARX με τα FP-VARX ως προς την παραμετροποίησή τους και την ακρίβεια που επιτυγχάνουν. Επιπλέον, μελετάται και η σχέση των παραπάνω μοντέλων με τα συμβατικά VARX. Η αποτίμηση των γενικευμένων μοντέλων VARX αναφορικά με το πλήθος των εκτιμώμενων παραμέτρων και την ακρίβεια που επιτυγχάνουν εξακριβώνεται μέσω προσομοιώσεων Monte Carlo.

Η παρούσα διατριβή επανεξετάζει την οριακή ανάλυση ευστάθειας των λίθινων αψίδων. Η οριακή ανάλυση ευστάθειας χρησιμοποιείται σήμερα ως το βασικό εργαλείο αποτίμησης της ευστάθειας τόξων και θολωτών κατασκευών από τοιχοποιία, όπως ακριβώς συνέβαινε και τους τελευταίους τέσσερις αιώνες. Παρά την τόσο μακρόχρονη ιστορία της μεθόδου, δεν έχουν πλήρως διασαφηνιστεί στην επιστημονική κοινότητα θεμελιώδης έννοιες και δεν έχουν σαφώς απαντηθεί ερωτήματα όπως: Ποιες είναι οι φυσικά πραγματοποιήσιμες γραμμές ώθησης και ποιες όχι; Ποια είναι η επίδραση της στερεοτομίας ενός τόξου στην οριακή του ευστάθεια; Ποιος είναι ο ρόλος της αλυσοειδούς καμπύλης και κατά πόσο αυτή είναι μία φυσικά αποδεκτή γραμμή ώθησης; Τι σχέση υπάρχει ανάμεσα στην κλίση της συνισταμένης θλιπτικής δύναμης και στην κλίση της γραμμής ώθησης στο σημείο εφαρμογής της; Η παρούσα διατριβή αναζητά απαντήσεις στα ερωτήματα αυτά, και έχει ως στόχο τη βαθύτερη κατανόηση της οριακής ανάλυσης ευστάθειας των τόξων, με παράλληλη ανάδειξη νέων υπολογιστικών διαδικασιών. Η δομή της παρουσιάζεται συνοπτικά παρακάτω. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται ιστορική ανάλυση της μεθόδου μέσα από παρουσίαση και σχολιασμό των εργασιών με τη σημαντικότερη συμβολή, από τα μέσα του 17ου αιώνα μέχρι σήμερα. Στο δεύτερο κεφάλαιο επανεξετάζεται ένα από τα πιο κλασικά προβλήματα της μηχανικής: ποιο είναι το ελάχιστο επιτρεπτό πάχος ενός ημικυκλικού τόξου υπό τη δράση του ιδίου βάρους του για να είναι ευσταθές. Παράλληλα απαντώνται τα ερωτήματα που τέθηκαν παραπάνω αναπτύσσοντας νέες κλειστές μαθηματικές εκφράσεις των γραμμών ώθησης μέσω γεωμετρικής προσέγγισης, αλλά και μέσω του λογισμού των μεταβολών. Στο τρίτο κεφάλαιο χρησιμοποιείται παρόμοια διαδικασία για την ανάλυση της γενικής περίπτωσης των ελλειπτικών τόξων, οποιουδήποτε γεωμετρικού λόγου ύψος προς βάση, καθώς δεν είναι διαθέσιμα αναλυτικά αποτελέσματα στη διεθνή βιβλιογραφία, όπως συμβαίνει για τα κυκλικά τόξα. Στο τέταρτο κεφάλαιο εξετάζεται η οριακή ευστάθεια κυκλικών τόξων οποιασδήποτε γωνίας εναγκαλισμού, υπό την ταυτόχρονη δράση του ιδίου βάρους τους και σταθερής οριζόντιας εδαφικής επιτάχυνσης, ενώ υπολογίζεται με ακρίβεια η μορφή που θα έχει ο επικείμενος μηχανισμός κατάρρευσης μαζί με το οριακό πάχος, συναρτήσει της σεισμικής φόρτισης. Τα αποτελέσματα της μαθηματικής ανάλυσης (Κεφ. 2-4) επιβεβαιώνουν την ακρίβεια του λογισμικού που αναπτύχθηκε για τις ανάγκες της διατριβής, καθώς και τα αποτελέσματα που προκύπτουν από εμπορικό λογισμικό της μεθόδου των διακριτών στοιχείων. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται εφαρμογή και σύγκριση των πιο αντιπροσωπευτικών υπολογιστικών μεθόδων που απαντώνται σήμερα στη βιβλιογραφία για την αποτίμηση της ευστάθειας και φέρουσας ικανότητας της υπόγειας Θολωτής Διόδου του Σταδίου της Αρχαίας Νεμέας, ενώ η οριακή ανάλυση ευστάθειας αναδεικνύεται ως ένα μοναδικό εργαλείο για την κατανόηση της αλληλεπίδρασης της κατασκευής με το περιβάλλον έδαφος. Επιπλέων των συμπερασμάτων στο τέλος κάθε κεφαλαίου (Κεφ. 2 έως 5), στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πιο σημαντικά συμπεράσματα και η συνεισφορά της παρούσας διατριβής. / This doctoral thesis revisits the limit equilibrium analysis of masonry arches. Limit equilibrium analysis is used today as the main analysis method for the assessment of the stability of masonry arches and vaulted structures, and is the outcome of important contributions that happened during the last four centuries. Although this method has a long history and a rich literature, there are still fundamental concepts that have not been thoroughly clarified, such as: What are the physically admissible thrust lines of an arch? How the stereotomy of an arch affects its limit stability? What is the role of the catenary curve (the alysoid)? Is the catenary curve a physically admissible thrust line? What is the relation between the direction of the thrust force and the slope of the thrust line at the point of application of the force? This thesis investigates these questions and aims to a better understanding of the limit equilibrium analysis of masonry arches, and at the same time, to present innovative methodologies and new analysis tools. Chapter 1 presents the work of other authors that have contributed the most to the stability analysis of masonry arches and vaulted structures over the last centuries. Chapter 2 revisits one of the most classical problems of Mechanics—what is the minimum thickness of a semicircular masonry arch subjected to its own weight. At the same time, the analysis presented in this chapter answers to the aforementioned questions through the development of closed-form expressions of the thrust line and the application of calculus of variation. Chapter 3 is focused on the limit equilibrium state of elliptical masonry arches, using the same approaches that were used in Chapter 2. This analysis was motivated from the fact that numerical results have been available in literature only for circular and not for elliptical masonry arches. Chapter 4 computes the location of the imminent hinges and the minimum thickness of circular masonry arches, for every given embrace angle, which can just sustain their own weight, together with a given level of horizontal ground acceleration. The numerical results presented in Chapters 2 to 4 confirm the accuracy of the in-house software that was developed for the needs of this thesis and the results obtained with a representative, commercially available software of the distinct element method. Chapter 5 present a comprehensive structural analysis of the Tunnel-Entrance to the Stadium of Ancient Nemea which ranges from the thrust line limit analysis and the discrete element method, to a 3-dimensional finite-element analysis. Limit equilibrium analysis emerges as a unique analysis method for the assessment of the stability of the structure and its interaction with the surrounding soil. While at the end of every chapter (Chapters 2 to 5) are presented detailed comments and conclusions, Chapter 6 is focused on outlining the most important conclusions and the main contribution of this thesis.