Η διατριβή αποσκοπεί στην ανάπτυξη κατάλληλης μεθοδολογίας και των αντίστοιχων υπολογιστικών εργαλείων με σκοπό τον προσδιορισμό της αξιοπιστίας κατασκευών από σύνθετα υλικά, όταν λαμβάνεται υπόψη όχι μόνο η στοχαστικότητα της φόρτισης και των ιδιοτήτων αντοχής του ορθότροπου υλικού, αλλά και η μεταβλητότητα των ελαστικών του ιδιοτήτων και των συντελεστών θερμικής διαστολής. Ταυτόχρονα, στόχος της εργασίας είναι η μέθοδος που θα αναπτυχθεί να είναι ευκολόχρηστη και αρκετά ακριβής, ώστε να καταστεί πρακτική για χρήση σε σχεδιασμό τέτοιων κατασκευών όπου μέχρι το τελικό αποτέλεσμα απαιτούνται πολλές επαναληπτικές δοκιμές. Στην εργασία διερευνάται η μεταβλητότητα των μηχανικών ιδιοτήτων συνθέτων υλικών, κυρίως αυτών που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή πτερυγίων Ανεμογεννητριών, η στατιστική μοντελοποίηση της, καθώς και μέθοδοι για τον προσδιορισμό της αξιοπιστίας της κατασκευής. Επικεντρώνοντας το ενδιαφέρον στον δομικό σχεδιασμό πτερυγίων ανεμογεννητριών αναπτύχθηκε κατάλληλο υπολογιστικό εργαλείο για την εκτίμηση της αξιοπιστίας του πτερυγίου υπό στατική φόρτιση, στο επίπεδο της στρώσης του υλικού λαμβάνοντας υπόψη την στοχαστικότητα των ελαστικών-θερμικών ιδιοτήτων και των ιδιοτήτων αντοχής του υλικού, ενώ από την πλευρά της φόρτισης περιλαμβάνεται η μεταβλητότητα τόσο των ορθών τάσεων όσο και των διατμητικών τάσεων που αναπτύσσονται στο επίπεδο της στρώσης, ξεκινώντας από την στοχαστικότητα της εξωτερικής φόρτισης του πτερυγίου. Οι προτεινόμενες μέθοδοι εκτίμησης της πιθανότητας αστοχίας του πτερυγίου ανεμογεννήτριας αποδεικνύονται εφαρμόσιμες και σε άλλες κατασκευές από σύνθετα υλικά, με κύριο γνώρισμά τους την παραλαβή της φόρτισης σε μεγάλο βαθμό από το σύνθετο υλικό. / The dissertation aim was to develop a suitable methodology and the relevant numerical tools for the determination of the reliability of composite materials structures, when not only the variability of loading and the orthotropic material strength properties but also the variability of the material's elastic properties and thermal expansion coefficients. In parallel, scope of the work is to develop a method that is easily applicable and relative accurate, so as to be practical for use during the design of such structures, for which a large numbers of iterations is required up to the design final solution. In the current work the variability of the mechanical properties of composite materials, focusing on materials used for manufacturing wind turbine blades, is studied, the statistical modeling of the structure, as well as methods for the estimation of the structural reliability. Concentrating the interest in the structural design of wind turbine blades an adequate numerical tool was developed for the estimation of the wind turbine blade reliability under static loading, at the layer level, taking into account the stochastic material elastic properties, thermal expansion coefficients and strength properties, while on the loading side both the variability of normal and shear stresses which are developed at the layer level is taken into consideration, starting at the variability of the blade's external loading. The proposed methods developed for the failure probability estimation of the wind turbine blade are proved applicable to other composite material structures, as well, for cases where the structural load is undertaken in the largest extend by the composite material.

Τα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται σε μία ευρεία γκάμα της παγκόσμιας βιομηχανίας, στην αεροναυπηγική, στις μεταφορές, στα αθλητικά είδη και πιο πρόσφατα στις υποδομές. Αναλόγως των εφαρμογών αξιοποιούνται και αντίστοιχης ποιότητας σύνθετα υλικά διότι το κύριο μέλημα είναι η μείωση του συνολικού κόστους της κατασκευής. Η μείωση του κόστους, προφανώς, δεν έρχεται από τα ίδια τα υλικά, αφού είναι πιο ακριβά από τα αντίστοιχα που χρησιμοποιούνται τώρα, αλλά από την αξιοποίηση τους σε ένα μακροχρόνιο σχέδιο. Για τους λόγους αυτούς γίνεται όλο ένα και μεγαλύτερη χρήση των σύνθετων υλικών. Παρόλα τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν τα σύνθετα υλικά εμφανίζουν πολύ σοβαρά προβλήματα. Ένα κύριο πρόβλημα το οποίο αφορά την χρήση τους είναι ο προσδιορισμός της αντοχής τους όταν υποβάλλονται σε διάφορες καταπονήσεις. Παρατηρείται λοιπόν η μεγάλη ανάγκη που υπάρχει για την μελέτη των σύνθετων υλικών και για το λόγο αυτό υπάρχουν εξειδικευμένα εργαστήρια στα οποία μελετώνται οι μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών. Όμως, πέραν των ενδογενών μηχανικών ιδιοτήτων που εμφανίζουν τα σύνθετα υλικά υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που χρίζουν μελέτης όπως για παράδειγμα η επίδραση της θερμοκρασίας, της υγρασίας κ.α. Τα σύνθετα υλικά που αξιοποιούνται είναι με ενίσχυση συνεχών ινών και με μήτρα από πολυμερές σε ψευδοϊσότροπη "quasi-isotropic" διαστρωμάτωση. Τα εκάστοτε δοκίμια υφίστανται εναλλασσόμενη φόρτιση μέχρις ότου εμφανίσουν αστοχία. Για την διαδικασία της κόπωσης ορίζονται πειραματικά οι τιμές της συχνότητας ταλάντωσης και της μέγιστης εφαρμοζόμενης τάσης. Όλα τα δοκίμια, κατά την διάρκεια της κόπωσης, υφίστανται μόνο τάσεις εφελκυσμού. Η μελέτη της θερμοκρασίας πραγματοποιήθηκε μέσω παθητικής θερμογραφίας. Η παθητική θερμογραφία εξετάζει τα υλικά και τις δομές που σε φυσιολογικές συνθήκες παρουσιάζουν διαφορετική (συχνά υψηλότερη) θερμοκρασία από το περιβάλλον. Η παθητική θερμογραφία είναι ευρέως χρησιμοποιούμενη σε πλήθος εφαρμογών της βιομηχανίας, της προληπτικής συντήρησης, ιατρικής, δασικής πυρανίχνευσης, γεωργίας, βιολογίας, ανίχνευσης αερίων. Σε όλες αυτές τις εφαρμογές, εντοπίζονται ασυνήθιστες θερμοκρασίες σε σχέση με το περιβάλλον και υποδεικνύουν σημεία που πιθανόν χρήζουν προσοχής. Στην παρούσα εργασία έγινε χρήση μίας πειραματικής διάταξης που είναι σε θέση να προκαλεί καταπόνηση στα σύνθετα υλικά και με τη βοήθεια υπέρυθρης κάμερας κατέστη δυνατή η απόκτηση θερμικών εικόνων των σύνθετων υλικών κατά την διάρκεια της καταπόνησης τους. Οι εικόνες αυτές αναπαριστούν την χωρική κατανομή της θερμοκρασίας του δείγματος και όχι μόνο της επιφάνειας. Οι θερμικές εικόνες υπέστησαν ειδική επεξεργασία για την εξαγωγή χαρακτηριστικών με σκοπό να οδηγήσουν σε συμπεράσματα ικανά να ερμηνεύουν την συμπεριφορά της θερμοκρασίας. Τελικά, μέσω της μελέτης της συμπεριφοράς της θερμοκρασίας των σύνθετων υλικών υφιστάμενα κόπωση έγινε προσπάθεια για την πρόβλεψη και ανίχνευση αστοχιών σε αυτά τα υλικά. / Composite materials are used in a wide range of global industry, such as aeronautics, transportation, and more recently in infrastructure. Composites with different quality are utilized because the main concern is to reduce the total cost of construction. Cost reduction is obviously not coming from the raw materials, as they are more expensive than those used now, but by exploiting them in a long-standing plan. The technological evolution and market requirements have led to an increasing demand of composite materials. Despite the advantages of composite materials they exhibit very serious problems. A fundamental problem concerning the engineering uses of composite materials is the determination of their resistance to combined states of cyclic stress (fatigue loading). Therefore, composite materials are needed to be studied and for this reason there are specialized laboratories studying their mechanical properties. Beyond the intrinsic mechanical properties of composites materials there are also other factors that need to be studied, for example the effect of temperature, humidity etc. In this project the behavior of the temperature of composites in fatigue loading is studied. The composite materials that are utilized are fiber reinforced plastics (FPR) in "quasi-isotropic" lay-up. Each sample is going under tensile constant stress cycling until experiencing failure. For the process of fatigue loading, experimental values of the oscillation frequency and the maximum applied stress are defined. The study of the temperature of composite materials was held by passive thermography. Passive thermography tests materials and structures which are naturally at different (often higher) temperature than ambient temperature. Important applications of passive thermography are in production, predictive maintenance, medicine, fire forest detection, building thermal efficiency survey programs, road traffic monitoring, agriculture and biology, medicine, detection of gas (by mean of absorbing tracer gas) and in nondestructive testing (NDT). In all these applications, abnormal temperature profiles indicate a potential problem that needs to be taken care of. In this project an experimental setup was developed which is capable of a) causing specific fatigue loading to the samples and b) obtaining thermal images of them during their fatigue loading. These images represent the spatial distribution of the sample temperature, not just the temperature of their surface. Also, these thermal images were specially processed for feature extraction in order to lead to conclusions capable of interpreting the behavior of temperature. Eventually, an effort was made to anticipate and discover failures in composites through the study of the behavior of the temperature that they develop.

In the present thesis a novel numerical approach for the optimization of composite structures fabricated from woven composite materials is developed. The aim is to increase the ultimate strength of the structure while at the same time decreasing its weight. The numerical approach is based on a combination of the numerical algorithm of progressive damage modelling (PDM), along with shape optimization (SO) in an iterative subroutine. PDM, which is comprised of three steps, namely stress analysis, failure analysis and material property degradation, is used to predict the initiation and propagation of failure in the structure. During the phase of SO certain geometrical parameters are varied within limits in order to minimize the stresses that lead the structure to ultimate failure as indicated by PDM results. Finally the resulting geometry is solved with PDM to ensure the enhancement in the ultimate strength and the decrease in ultimate weight. Within the frame of this approach, a new methodology for the numerical modeling and the simulation of mechanical behavior of woven composite materials is proposed. The highly inhomogeneous nature of woven composite materials in the micro-scale is taken under consideration to create accurate representative volume element (RVE) FE models which represent the actual material. Then PDM is used for the simulation of their mechanical response. The calculated properties, in terms of stiffnesses and strengths, are then inserted as inputs in the global FE model of the composite structure. Additionally, the reliability and applicability of a continuum damage model (CDM), in comparison with cohesive zone model (CZM), are assessed in order to use the CDM for the modeling of the adhesive’s mechanical behavior. The mentioned numerical approach is applied in an H-shaped joining element fabricated from two different woven composite materials for the loading case of tension. In the first case NCF composite is used while in the second case the joint is made of 3D fully interlaced weave (FIW) composite. The purpose of the H-shaped element is the joining of two composite plates via the method of adhesive bonding. / Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκε μια νέα μέθοδος αριθμητικής βελτιστοποίησης δομικών στοιχείων από σύνθετα υλικά με σκοπό την αύξηση της αντοχής τους. Η μέθοδος βασίζεται σε έναν αριθμητικό αλγόριθμο Προοδευτικής Εξέλιξης της Βλάβης (ΠΕΒ) και τη Βελτιστοποίηση Σχήματος (ΒΣ) τα οποία συνδυάζονται σε μια επαναληπτική υπό-ρουτίνα. Στην ΠΕΒ περιλαμβάνονται τα βήματα της ανάλυσης τάσεων, ανάλυσης αστοχίας και υποβάθμιση των ιδιοτήτων των στοιχείων. Η χρησιμότητα της έγκειται στην πρόβλεψη της έναρξης και εξέλιξης της αστοχίας στο δομικό στοιχείο κάτι απαραίτητο για την κατανόηση της μηχανικής συμπεριφοράς. Η ΒΣ έχει ως σκοπό την μεταβολή συγκεκριμένων γεωμετρικών παραμέτρων για να επιτευχθεί ελαχιστοποίηση των κρίσιμών τάσεων που προκύπτουν από τα αποτελέσματα της ΠΕΒ και οδηγούν στην αστοχία του στοιχείου. Παράλληλα, για την μοντελοποίηση και τον υπολογισμό των μηχανικών ιδιοτήτων πρωτότυπων πλεγμένων σύνθετων υλικών προτείνεται καινούργια μια μεθοδολογία η οποία λαμβάνει υπ’ όψιν την υψηλή ανομοιογένεια των υλικών στην μικρό-κλίμακα για να υπολογίσει τις ιδιότητες τους. Η μεθοδολογία εφαρμόστηκε σε ένα νέο συνδετικό στοιχείο σχήματος H κατασκευασμένο από δύο διαφορετικά πλεγμένα σύνθετα υλικά, τα μη πτυχωτά και τα τρισδιάστατα πλεγμένα σύνθετα υλικά, για την περίπτωση του εφελκυσμού. Σκοπός του συνδέσμου είναι η ένωση δύο πλακών από σύνθετα υλικά χρησιμοποιώντας κόλλα. Αρχικά το μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων του συνδέσμου δημιουργείται και επιλύεται με την μέθοδο ΠΕΒ. Για την προσομοίωση της μη-γραμμικής συμπεριφοράς της κόλλας αναπτύσσεται ένα δι-γραμμικό μοντέλο. Για την προσομοίωση της πλήρης μηχανικής συμπεριφοράς των μη πτυχωτών και τρισδιάστατα πλεγμένων συνθέτων υλικών, αναπτύσσεται μια διαδικασία η οποία περιλαμβάνει τα βήματα της γεωμετρικής μοντελοποίησης, της κατασκευής του μοντέλου πεπερασμένων στοιχειών και την επίλυση αυτού με την μέθοδο ΠΕΒ. Τα αποτελέσματα, σε όρους διαγραμμάτων τάσεων-παραμορφώσεων, χρησιμοποιούνται ως δεδομένα στο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων του συνδέσμου το οποίο επιλύεται και υπολογίζεται το διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης. Στην συνέχεια, λαμβάνει μέρος η γεωμετρική βελτιστοποίηση βασιζόμενη στα αποτελέσματα της επίλυσης της αρχικής γεωμετρίας. Σε αυτό το σημείο επιλέγεται η μεταβλητή προς ελαχιστοποίηση στην διαδικασία της βελτιστοποίησης. Το μέγεθος αυτό ονομάζεται Συνάρτηση Σκοπού (ΣΣ) και ορίζεται ως ο συντελεστή βλάβης που ευθύνεται για την τελική αστοχία του δομικού στοιχείου. Ως ένα επιπλέον κριτήριο για την επιλογή της βέλτιστης γεωμετρίας επιλέγεται η μείωση βάρους δεδομένου ότι πρόκειται για αεροπορική κατασκευή. Η γεωμετρία που ελαχιστοποιεί την συνάρτηση σκοπού και ταυτόχρονα είναι ελαφρύτερη από την αρχική, επιλέγεται ως η τελική γεωμετρία. Τέλος, γίνεται η επιτυχής επικύρωση της βελτιστοποίησης με την σύγκριση των αριθμητικών αποτελεσμάτων μεταξύ της αρχικής και τελικής γεωμετρίας. Η μεθοδολογία της ΠΕΒ εφαρμόζεται στην τελική γεωμετρία και τα διαγράμματα δύναμης μετατόπισης συγκρίνονται για να διαπιστωθεί η αύξηση στο μέγιστο φορτίο που μπορεί να φέρει το συνδετικό στοιχείο πριν την τελική αστοχία.

Κατά την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκε μία γενικευμένη μεθοδολογία βελτιστοποίησης των διεργασιών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή, μορφοποίηση και συνένωση κατασκευαστικών στοιχείων από σύνθετο υλικό, με κριτήριο την ποιότητα και το κόστος του παραγόμενου προϊόντος. Στην μεθοδολογία που προτείνεται, η διάταξη και τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά της μονάδας παραγωγής, μορφοποίησης ή συγκόλλησης των κατασκευαστικών στοιχείων θεωρούνται μεταβλητές. Επομένως, για την βελτιστοποίηση της αντίστοιχης διεργασίας με κριτήρια την ποιότητα και το κόστος του παραγόμενου προϊόντος θεωρούνται ως μεταβλητά μεγέθη τόσο οι τιμές των παραμέτρων της διεργασίας (π.χ. πίεση, θερμοκρασία, χρόνος κλπ.) όσο και η διάταξη και τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά της σχετικής μονάδας για την εφαρμογή της διεργασίας (π.χ. διάταξη και τεχνικά χαρακτηριστικά της μονάδας θέρμανσης). Η μεθοδολογία μπορεί να εφαρμοστεί στο σύνολο των διεργασιών που χρησιμοποιούνται στα θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά και ευκολότερα σε διεργασίες στις οποίες είναι δυνατή η άμεση επιλογή των παραμέτρων της διεργασίας και η μεταβολή των διατάξεων της χρησιμοποιούμενης συσκευής∙ βασίζεται στην θεώρηση ότι σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει το κόστος καθώς και την ποιότητα του παραγόμενου προϊόντος είναι ο κύκλος θέρμανσης που θα επιλεγεί. Η προτεινόμενη μεθοδολογία περιλαμβάνει την πειραματική διερεύνηση της επίδρασης των παραμέτρων της διεργασίας και ειδικότερα του κύκλου θέρμανσης στα προκαθορισμένα χαρακτηριστικά ποιότητας του παραγόμενου προϊόντος (π.χ. κρίσιμες μηχανικές ιδιότητες) καθώς και συσχέτιση των παραπάνω παραμέτρων με το τελικό κόστος παραγωγής, χρησιμοποιώντας την μεθοδολογία της εκτίμησης κόστους με βάση τη δραστηριότητα (Activity Based Costing method). Από την παραπάνω διερεύνηση προκύπτουν οι συναρτήσεις ποιότητας, οι οποίες κυρίως από το υλικό που χρησιμοποιείται, και οι συναρτήσεις εκτίμησης κόστους, οι οποίες εξαρτώνται κυρίως από την διεργασία. Σε κάποιες περιπτώσεις, τα πειραματικά δεδομένα που απαιτούνται για τον προσδιορισμό των παραπάνω συναρτήσεων είναι διαθέσιμα, κυρίως από την βιομηχανία. Για την εφαρμογή της μεθοδολογίας στις περιπτώσεις που δεν είναι διαθέσιμα επαρκή πειραματικά δεδομένα, γίνεται προσομοίωση του κύκλου θέρμανσης με χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων, με την βοήθεια της οποίας κατασκευάζονται παραμετρικά μοντέλα, όπου εφαρμόζεται ‘εικονικά’ ένας μεγάλος αριθμός διαφορετικών κύκλων θέρμανσης και υπολογίζονται τα θερμικά μεγέθη που αντιστοιχούν στον καθένα (χρόνος και ρυθμός θέρμανσης, θερμοκρασία υλικού και κατανομή αυτής κλπ.). Τα μεγέθη αυτά αξιοποιούνται στην συνέχεια για τον υπολογισμό των μεγεθών ποιότητας και του κόστους κάνοντας χρήση των Συναρτήσεων Ποιότητας και των Συναρτήσεων Εκτίμησης Κόστους αντίστοιχα. Ο βέλτιστος συνδυασμός των παραμέτρων της διεργασίας και του κύκλου θέρμανσης καθώς και των ορίων που μπορούν να κυμαίνονται αυτά ώστε να ικανοποιείται η απαίτηση για την εξασφάλιση των προκαθορισμένων χαρακτηριστικών ποιότητας με το μικρότερο δυνατό κόστος, προκύπτει μέσω μιας επαναληπτικής διαδικασίας βελτιστοποίησης. Για την εφαρμογή της παραπάνω μεθοδολογίας βελτιστοποίησης αναπτύχθηκε και προτείνεται ένα υπολογιστικό εργαλείο-λογισμικό, το LTSM-OPT (Laboratory of Technology and Strength of Materials Process Optimization Tool). Η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόστηκε σε δύο νέες διεργασίες που χρησιμοποιούνται στα θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά, την διεργασία ‘ψυχρής’ μορφοποίησης με διάφραγμα (‘cold’ diaphragm forming) και την διεργασία συγκόλλησης με λέιζερ (laser transmission welding). Στο πλαίσιο αυτό, ο κύκλος θέρμανσης, που περιλαμβάνεται και στις δύο υπό εξέταση διεργασίες, προσομοιώθηκε με την βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων με σκοπό την ‘εικονική’ εφαρμογή των αντίστοιχων κύκλων θέρμανσης στο υλικό που εξετάστηκε. Στην συνέχεια, χρησιμοποιώντας το λογισμικό LTSM-OPT, προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες παράμετροι των παραπάνω διεργασιών και οι αντίστοιχοι κύκλοι θέρμανσης για την παραγωγή του θόλου ελικοπτέρου καθώς και για την συγκόλληση ενισχυτικών δοκών στο εσωτερικό μέρος της ατράκτου αεροσκαφών, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας αξιολογήθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν από την εταιρεία κατασκευής ελικοπτέρων EUROCOPTER και την εταιρεία κατασκευής αεροσκαφών AIRBUS για την εγκατάσταση μίας νέας μονάδας ‘ψυχρής’ μορφοποίησης με διάφραγμα και την παραγωγή πρωτοτύπων θόλων ελικοπτέρου, καθώς και για την ρύθμιση της διάταξης του υπάρχοντος συστήματος συγκόλλησης με λέιζερ διόδου και την συγκόλληση ενισχυτικών δοκών στην άτρακτο αεροσκαφών, αντίστοιχα. / In the framework of the current PhD thesis, a generic concept for the optimization of manufacturing processes of composite material components with regard to product’s quality and cost is introduced. In the proposed concept the configuration of the manufacturing unit is considered as an option for optimizing families of products with regard to quality and cost. For processes offering flexibility in selecting process features and parameters, the concept can be applied straight forward. The proposed concept relies on the consideration of the processes thermal cycle as essential for both the quality and cost of the produced part. It involves a quality sensitivity analysis based on experimental data, which relates the values of the thermal cycle parameters to predefined quality characteristics (e.g. critical mechanical properties) as well as a cost analysis by relating the parameters of the thermal cycle to cost data using the Activity Based Costing (ABC) methodology. Outcome of the above analyses is the derivation of the material dependent Quality Functions (QFs) along with the derivation of the process dependent Cost Estimation Relationships (CERs). The configuration of the manufacturing unit is considered as an option for optimizing families of products with regard to quality and cost. To achieve this, the heating process has been simulated by developing a parametric Finite Element model, so as to virtually conceive heating units and calculate the corresponding thermal cycles. The latter are exploited to calculate quality and cost values using the derived QFs and CERs. The optimal thermal cycle which leads to minimum cost that satisfies the design and quality requirements, along with the allowable thermal cycle windows, is derived, by involving an iterative optimization procedure. To carry out the optimization procedure a suitable software tool, the LTSM-OPT tool, is developed and introduced. The proposed concept has been applied to optimize the ‘cold’ Diaphragm Forming (CDF) process, as well as, the Laser Transmission Welding process (LTW). The thermal sub-process involved in the processes under consideration is numerically simulated such as to allow for the virtual application of the respective thermal cycle on the material. Using the developed software the features of the CDF heating system and the LTW system configuration along with the optimal thermal cycle for producing a helicopter canopy as well as for welding stiffeners on the aircraft fuselage skin, respectively, were obtained. The results of the first study were successfully exploited by EUROCOPTER to install a new flexible CDF facility and produce helicopter canopies by applying the derived optimal thermal cycle. As well, the results of the latter analysis were successfully exploited by AIRBUS to configure and adapt a laser diode source device to weld stiffeners and riblets to the aircraft fuselage skin, and thus produce integral aeronautic structures, by applying the optimized solution derived from the present study.

Εξ’ αιτίας της ραγδαίας αύξησης στη χρήση σύνθετων υλικών, στην παρούσα εργασία ασχοληθήκαμε με σύνθετο υλικό μήτρας εποξικής ρητίνης και ενίσχυσης κόκκους αλουμινίου με μέση διάμετρο 63 μm. Σκοπός της έρευνας αυτής είναι κατά πρώτον να μελετήσει τη συμπεριφορά του συνθέτου σε στατική κάμψη αναλόγως της κατά βάρος περιεκτικότητά του σε κόκκους και να συγκρίνει τα πειραματικά αποτελέσματα με αντίστοιχες θεωρητικές προβλέψεις και κατά δεύτερον να μελετήσει την επίδραση βλάβης λόγω ύπαρξης εγκοπής ή θερμικής κόπωσης στην υποβάθμιση του σύνθετου υλικού και να προβλέψει την παραμένουσα μηχανική συμπεριφορά χρησιμοποιώντας το μοντέλο R.P.M. Τρία διαφορετικά μοντέλα πρόβλεψης, ανεπτυγμένα απ’ το CMG (Composite Material Group) του Πανεπιστημίου Πατρών, θα εφαρμοστούν για τις προβλέψεις και δύο απ’ αυτά θα συγκριθούν και με άλλα μοντέλα ανεπτυγμένα από άλλους ερευνητές. Κατ’ αρχήν, για τον υπολογισμό της μέγιστης τάσης εφαρμόστηκε το μοντέλο του τμηματικού κόκκου. Σύμφωνα με το μοντέλο αυτό, ο κόκκος χωρίζεται σε άπειρο αριθμό ινών και σύμφωνα με την θεωρία του Cox μπορεί να υπολογιστεί η μέση τάση που ασκείται σε κάθε ίνα του κόκκου. Στη συνέχεια, για τον υπολογισμό του μέτρου ελαστικότητας συναρτήσει της κατά βάρους περιεκτικότητας σε κόκκους αλουμινίου εφαρμόστηκε το μοντέλο της μεσοφάσης. Το μοντέλο αυτό λαμβάνει υπόψιν την ύπαρξη μιας τρίτης φάσης ανάμεσα στις δύο κύριες (μήτρα-ενίσχυση) και η οποία αποτελεί μια σημαντική παράμετρο επίδρασης στη συμπεριφορά οποιουδήποτε σύνθετου υλικού. Τέλος, στις περιπτώσεις της ύπαρξης εγκοπής και της θερμικής κόπωσης εφαρμόστηκε το μοντέλο R.P.M. Το μοντέλο αυτό μπορεί να εφαρμοστεί για την περιγραφή της υποβάθμισης των ιδιοτήτων των υλικών μετά από βλάβη και στη συγκεκριμένη εργασία εφαρμόστηκε για να περιγράψει τις μεταβολές στην μέγιστη τάση του υλικού και στο μέτρο ελαστικότητάς του συναρτήσει του μήκους εγκοπής ή του αριθμού των θερμικών κύκλων. / -

Οι περιοχές συγκέντρωσης τάσης ή/και παραμόρφωσης στα σύνθετα υλικά, όπως και στα συμβατικά -μεταλλικά- υλικά, αποτελούν σημαντικά στοιχεία στο σχεδιασμό τμημάτων δομών και ολόκληρων κατασκευών. Ειδικότερα η μέθοδος σχεδιασμού με ανοχή στη βλάβη, η οποία έχει επικρατήσει, καθιστά την κατανόηση και μελέτη της συμπεριφοράς των περιοχών αυτών εκ των ων ουκ άνευ. Στο παρόν, γίνεται μια προσπάθεια για την καλύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς των σύνθετων υλικών, όταν εμπεριέχουν περιοχές συγκέντρωσης τάσης. / Stress concentration or strain magnification locations on composite materials, similar to conventional-metallic materials, are a very important case in designing structural elements or structures in general. Damage tolerance design, particularly, which has become a dominant design method, makes the study and understanding of the behaviour of these locations necessary. In the present, an effort is presented for the better understanding of the composite materials behaviour in the presence of stress concentration locations.

Η παρούσα Διατριβή Διπλώματος Ειδίκευσης πραγματεύεται το ζήτημα της καμπτικής ενίσχυσης υποστυλωμάτων οπλισμένου σκυροδέματος υφισταμένων κατασκευών. Συγκεκριμένα, διερευνάται η αποτελεσματικότητα μίας νέας μεθόδου ενίσχυσης, η οποία συνίσταται στην επικόλληση υφάσματος ινοπλισμένων πολυμερών στις παρειές του μέλους, η αγκύρωση του οποίου πέραν της κρίσιμης διατομής εξασφαλίζεται με χρήση αγκυρίων μορφής θυσάνου ινών άνθρακα. Επιπλέον, και εξωτερικά των αγκυρίων, εφαρμόζεται τοπικός μανδύας συνθέτων υλικών. Για το σκοπό αυτό, διεξήχθησαν στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών συνολικά πέντε πειραματικές δοκιμές επί υποστυλωμάτων πλήρους κλίμακας. Τα χρησιμοποιηθέντα δοκίμια ήταν υποστυλώματα τετραγωνικής διατομής τύπου προβόλου, με ύψος ίσο με το μισό ύψος τυπικού ορόφου, σχεδιασμένα με ανεπαρκείς λεπτομέρειες όπλισης. Ένα εξ αυτών ενισχύθηκε με τοπικό μανδύα στον πόδα του και υπεβλήθη σε δοκιμή ανακυκλιζόμενης πλευρικής μετακίνησης της κορυφής του, με ταυτόχρονη επιβολή σταθερού θλιπτικού αξονικού φορτίου. Στην ίδια ιστορία φόρτισης υπεβλήθησαν τρία ακόμα δοκίμια, ενισχυμένα σύμφωνα με την υπό διερεύνηση μέθοδο, μελετώντας την επιρροή του αριθμού των εφαρμοσθέντων αγκυρίων και της συνολικής ποσότητας των ινών τους στην αποτελεσματικότητα της μεθόδου. Τέλος, ένα δοκίμιο υπεβλήθη σε μονοτονική φόρτιση αυξανομένης πλευρικής μετακίνησης με ταυτόχρονη επιβολή σταθερού θλιπτικού αξονικού φορτίου, με σκοπό τη μελέτη της επίδρασης της ανακύκλισης της φόρτισης στην αποτελεσματικότητα της μεθόδου. Το σύνολο των χρησιμοποιηθέντων συνθέτων υλικών στο πειραματικό πρόγραμμα, συνίστατο από ίνες άνθρακα σε μήτρα εποξειδικής ρητίνης. Η παρούσα εργασία χωρίζεται σε επτά Κεφάλαια. Το πρώτο Κεφάλαιο αποτελεί την εισαγωγή της παρούσης διατριβής. Παρουσιάζονται οι λόγοι που καθιστούν αναγκαία την καμπτική ενίσχυση υποστυλωμάτων σημαντικού μέρους των υφισταμένων κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος, γίνεται σύντομη αναφορά στη χρήση των συνθέτων υλικών στο πεδίο των ενισχύσεων καθώς και στις μηχανικές ιδιότητες αυτών και τέλος γίνεται αναφορά στο αντικείμενο της παρούσης διατριβής. Στο δεύτερο Κεφάλαιο, παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο της υπό διερεύνηση μεθόδου ενίσχυσης. Στο τρίτο Κεφάλαιο, συνοψίζονται στοιχεία από τη διεθνή βιβλιογραφία, σχετικά με προγενέστερες έρευνες που έχουν λάβει χώρα και που έχουν άμεση σχέση με το αντικείμενο της παρούσης διατριβής. Στο τέταρτο Κεφάλαιο, παρουσιάζεται το πειραματικό πρόγραμμα που έλαβε χώρα, προκειμένου να αξιολογηθεί η αποτελεσματικότητα της υπό διερεύνηση μεθόδου και η επίδραση των διαφόρων παραμέτρων σε αυτήν. Στο πέμπτο Κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των διεξαχθέντων πειραματικών δοκιμών. Γίνεται παρουσίαση των πειραματικών αποτελεσμάτων για το σύνολο των δοκιμίων, σε διαγραμματική κατά κανόνα μορφή. Ακολουθεί συγκριτική παρουσίαση της συμπεριφοράς αυτών. Επίσης, γίνεται προσπάθεια, μέσω των πειραματικών καταγραφών, εκτίμησης των μέσων παραμορφώσεων αστοχίας των χρησιμοποιηθέντων αγκυρίων. Στο έκτο Κεφάλαιο, παρουσιάζεται μια προσπάθεια εκτίμησης των μέσων παραμορφώσεων αστοχίας των χρησιμοποιηθέντων αγκυρίων, μέσω των καταγεγραμμένων κατά τις πειραματικές δοκιμές ροπών αντίστασής των δοκιμίων, κάνοντας χρήση ενός υπολογιστικού εργαλείου, το οποίο αναπτύχθηκε από τον ίδιο το συγγράφοντα για το σκοπό αυτό. Τα εξαγχθέντα συμπεράσματα, εν συνεχεία, αξιολογούνται βάσει των πειραματικών καταγραφών. Στο έβδομο Κεφάλαιο, τέλος, το οποίο αποτελεί και τον επίλογο της παρούσης διατριβής, παρουσιάζονται συγκεντρωτικά τα εξαγχθέντα συμπεράσματα και γίνονται προτάσεις για μελλοντική έρευνα. Μέσω των διεξαχθέντων πειραματικών δοκιμών και της επεξεργασίας των αποτελεσμάτων αυτών, κατέστη σαφές πως η υπό διερεύνηση μέθοδος καμπτικής ενίσχυσης υποστυλωμάτων είναι επαρκώς αποτελεσματική, ώστε να αποτελέσει βιώσιμη λύση στο πεδίο των ενισχύσεων, σε περιπτώσεις που απαιτείται αύξηση της καμπτικής αντοχής υποστυλωμάτων χωρίς παράλληλη απαίτηση αύξησης της ικανότητας παραμόρφωσης αυτών, κυρίως λόγω της ευκολίας εφαρμογής της. / This master thesis presents the results of an experimental program aiming to study the behavior of RC columns under simulated seismic loading, strengthened in flexure (of crucial importance in capacity design) using Carbon Composite Anchors. The role of different parameters is examined, mostly by comparison of the lateral load versus displacement response characteristics. With proper design, it seems that column strength enhancement does not develop at the expense of low deformation capacity.

Η συσσώρευση της βλάβης σε σύνθετα υλικά κεραμικής μήτρας που υπόκεινται σε μηχανική φόρτιση είναι ένα ζήτημα που δεν έχει απαντηθεί ικανοποιητικά μέχρι σήμερα. Η βασικότερη αντικειμενική δυσκολία στο πρόβλημα αυτό είναι ο τρόπος προσέγγισης και προσδιορισμού της βλάβης στα σύνθετα υλικά καθώς πρόκειται για πολυπαραμετρικό πρόβλημα. Επίσης τίθεται το ζήτημα του τρόπου παρακολούθησης της βλάβης. Οι μη καταστρεπτικοί έλεγχοι αποτελούν μια πολύ καλή επιλογή για την παρακολούθηση και τη μελέτη της εξέλιξης της βλάβης. Ο βασικός σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη της εξέλιξης της βλάβης και των μηχανισμών αστοχίας στα υλικά αυτά με τη χρήση δύο διαφορετικών τεχνικών μη καταστροφικών ελέγχων (Aκουστική Eκπομπή AE και Aκουστο-Yπέρηχο AY) κατά τη διάρκεια μηχανικών δοκιμών, καθώς επίσης και η εύρεση ποσοτικών δεικτών ικανών να παρακολουθούν τα διάφορα επίπεδα βλάβης του υλικού. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις μεθοδολογίες επεξεργασίας των σημάτων που προκύπτουν από κάθε τεχνική. Στην κατεύθυνση αυτή δοκιμάστηκαν τρεις τύποι υλικών C/C με ενίσχυση τύπου υφάσματος. Η διαφοροποίηση από τύπο σε τύπο υλικού έγκειται στις διαφορετικές ιδιότητες της διεπιφάνειας που επέλεξε ο κατασκευαστής να προσδώσει χωρίς να διατεθούν περαιτέρω λεπτομέρειες (βιομηχανικό απόρρητο). Παράλληλα, από τα αποτελέσματα της εφαρμογής των διαφορετικών μεθοδολογιών επεξεργασίας των σημάτων που προέκυψαν από κάθε μη καταστροφική μέθοδο, επιχειρείται η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τον τρόπο που οι διαφορετικές ποιότητες της διεπιφάνειας επηρεάζουν τους μηχανισμούς συσσώρευσης βλάβης στα υπό εξέταση υλικά. Αναλυτικότερα οι στόχοι που επιδιώχθησαν στο πλαίσιο της διατριβής είναι οι ακόλουθοι: • Εκτέλεση ειδικά επιλεγμένων μηχανικών δοκιμών σε τρία είδη συνθέτων υλικών C/C με ενίσχυση τύπου υφάσματος, που δίδουν τη δυνατότητα ανάπτυξης βλάβης πολλαπλών επιπέδων στη δομή του υλικού • Χρήση μη καταστροφικών μεθόδων όπως η ακουστική εκπομπή (AE) και οι ακουστο-υπέρηχοι (AU) για την παρακολούθηση της βλάβης που αναπτύσσεται και εξελίσσεται κατά τη διάρκεια των μηχανικών δοκιμών • Αναγνώριση των μηχανισμών αστοχίας και εξέλιξης της βλάβης έπειτα από επεξεργασία των σημάτων ΑΕ • Ανάπτυξη και εφαρμογή καινοτόμων τεχνικών επεξεργασίας για τα σήματα του ΑΥ βασιζόμενες στο μετασχηματισμό κυματιδίων • Ανάπτυξη ποσοτικών δεικτών για την παρακολούθηση της συσσώρευσης της βλάβης από την επεξεργασία των σημάτων του ΑΥ • Εξαγωγή συμπερασμάτων για τον τρόπο που η διαφοροποίηση στις τελικές ιδιότητες της διεπιφάνειας επηρεάζει τον τρόπο εξέλιξης και συσσώρευσης στα υπό εξέταση υλικά / The accumulation of damage in compοsite materials of ceramic matrix under mechanic loading is a topic that has not been answered satisfactorily up to today. The most basic objective difficulty in this problem is the way of approach and determination of damage in compοsite materials as it is a multiparametric problem. The question of the way of monitoring the damage is also rised. Non destructive testing constitutes of a very good choice for the monitoring and the study of the development of damage. The basic aim of this work is the study of development of damage and the failure mechanisms in composite materials with the use of two different techniques of not destructive techniques (Acoustic Emission AE and Acousto-Ultrasonic AU) during the mechanical testing, as well as the development of quantitative indicators capable of monitoring the various levels of damage of the material. Particular accent is given in the signal processing methodologies for the signals that result from each technique. To this direction three types of woven C/C composite material were tested. The differentiation in type of material lies in the different interfacial properties that the manufacturer selected without further details (industrial secrecy). At the same time, from the results of the application of the different signal processing methodologies that resulted from each non destructive method, conclusions are attempted to be exported with regard to the way that the different interfacial qualities influence the mechanisms of accumulation of damage. More analytically the objectives that were sought in the frame of this thesis are as follows: • Implementation of specifically selected mechanical tests in the three types of the woven composite C/C materials, that give the ability of development of multiple level damage in the structure of materials • Use of non destructive methods as the acoustic emission (AE) and the acousto-ultrasonics (AU) for the monitoring of damage that is developed during the mechanical tests • Recognition of the material’s failure mechanisms after the processing of AE signals • Development and application of innovative techniques for the processing of AU signals based on the wavelet transform • Development of quantitative indicators for the monitoring of damage accumulation from the processing of AU signals • Export of conclusions on the way that the differentiation in the final interfacial properties influences the way of development and accumulation of damage in the under review materials

Στα πλαίσια της αναζήτησης νέων μεθόδων παραγωγής ενέργειας υψηλής απόδοσης και φιλικής προς το περιβάλλον, ένα μεγάλο μέρος των ερευνητικών δραστηριοτήτων σε διεθνή κλίμακα έχει στραφεί στην ανάπτυξη της τεχνολογίας των κελιών καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη, SOFCs (Solid Oxide Fuel Cells). Ένα από τα μειονεκτήματα που εμφανίζονται κατά την μακρόχρονη λειτουργία ενός ‘state of the art’ κελιού καυσίμου αποτελούμενο από Ni/8YSZ (8 mol% Y2O3 stabilized ZrO2) κεραμομεταλλικό (άνοδος) - 8YSZ (ηλεκτρολύτης) - (La,Sr)MnO3 περοβσκίτη (κάθοδος) - LaCrO3 περοβσκίτη (συνδέτης) είναι η υποβάθμιση της απόδοσής του, η οποία μεταξύ άλλων οφείλεται στην αστάθεια της μικροδομής του κεραμομεταλλικού ηλεκτροδίου της ανόδου στις υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας του, λόγω συσσωμάτωσης της μεταλλικής φάσης. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη νέων υλικών με σκοπό την εφαρμογή τους ως ανοδικά ηλεκτρόδια σε κελιά καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη τόσο υψηλών (High Temperature SOFCs, 800-1000oC) όσο και μέσων θερμοκρασιών (Intermediate Temperature SOFCs, 650-800oC). Για το σκοπό αυτό και όσον αφορά τα HT-SOFCs παρασκευάσθηκαν, χαρακτηρίσθηκαν και ελέγχθηκαν οι ιδιότητες μικτών κεραμικών οξειδίων επιλεγμένων συνθέσεων των τριμερών συστημάτων Y2O3-ZrO2-TiO2 (YZT), Y2O3-ZrO2-Nb2O5 (YZN) και Y2O3-ZrO2-CeO2 (YZC) σε σύγκριση με το κεραμικό 8YSZ, ενώ έπειτα από την εξαγωγή των αποτελεσμάτων η έρευνα εστιάσθηκε στα κεραμομεταλλικά υλικά του συστήματος Ni/YZT με προσθήκη 30, 40 και 45 vol% Ni. Tα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα Ni/YZT κεραμομεταλλικά συστήματα παρουσιάζουν βελτιωμένη μηχανική συμβατότητα με το στερεό ηλεκτρολύτη. Ο μεταλλογραφικός έλεγχος σε συνδυασμό με ανάλυση εικόνας έδειξε ότι η μικροδομή τους παραμένει σταθερή διατηρώντας τις τιμές της ηλεκτρικής αγωγιμότητας πρακτικά αμετάβλητες μετά από μακροχρόνια έκθεση (1000 h) σε αναγωγική ατμόσφαιρα (Ar/4%H2). Η εν λόγω συμπεριφορά παρουσιάσθηκε πιο ενισχυμένη ιδιαίτερα για τα κεραμομεταλλικά με αυξημένα ποσοστά TiO2 στην κεραμική φάση. Πειράματα διαβροχής σε συστήματα κεραμικών (YZT) σε επαφή με ρευστό Ni έδειξαν ότι η προσθήκη TiO2 βελτιώνει την ισχύ του δεσμού στη διεπιφάνεια μετάλλου/κεραμικού. Ηλεκτροχημικές μετρήσεις σε κελιά καυσίμου με Ni/YZT κεραμομεταλλικές ανόδους έδωσαν ενθαρρυντικά αποτελέσματα, επιτυγχάνοντας για ένα από τα υπό μελέτη συστήματα βελτιωμένη απόδοση σε σύγκριση με τη συμβατική άνοδο, Ni/8YSZ. Όσον αφορά τη δυνατότητα μείωσης της θερμοκρασίας λειτουργίας ενός SOFC από τους 900-1000οC στους 650-800οC και την ανάπτυξη των IT-SOFCs, η έρευνα στράφηκε προς κεραμικές συνθέσεις βασισμένες στο CeO2 και πιο συγκεκριμένα προς τα συστήματα Y2O3-CeO2 (YC) και Y2O3-CeO2-TiO2 (YCT). Ο κρυσταλλογραφικός έλεγχος των κεραμικών κόνεων, μετά από θερμική ανόπτηση μέχρι τους 1400οC στον αέρα, έδειξε ότι η βασική κρυσταλλική τους δομή αντιστοιχεί στο κυβικό πλέγμα του φθορίτη. Στα συστήματα που περιέχουν TiO2 εμφανίζεται ο σχηματισμός μιας επιπλέον φάσης με πυροχλωριτική δομή (Y2Ti2O7). Οι μετρήσεις του συντελεστή θερμικής διαστολής (TEC) στον αέρα στη θερμοκρασιακή περιοχή 25-1000°C έδωσε παρεμφερείς τιμές μειούμενες με αυξανόμενο το ποσοστό σε Ti. Σε ατμόσφαιρα Ar/4%H2 οι τιμές του TEC αυξάνονται σημαντικά για θερμοκρασίες T ≥ 800°C. Οι απόλυτες τιμές της συνολικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας των κεραμικών σε αναγωγικές συνθήκες (Ar/4%H2) στη θερμοκρασιακή περιοχή 450-900°C εμφανίζονται σημαντικά υψηλότερες συγκριτικά με τις αντίστοιχες τιμές στον αέρα λόγω του μικτού ιοντικού-ηλεκτρονικού της χαρακτήρα. Οι απόλυτες τιμές της ιοντικής αγωγιμότητας παρουσιάζονται σημαντικά ενισχυμένες, περίπου μισή τάξη μεγέθους σε σχέση με τις αντίστοιχες του 8YSZ, για τις κεραμικές συνθέσεις του συστήματος Y0.20Ce0.80-xTixO1.9 με τις χαμηλότερες περιεκτικότητες σε Ti. Τα αντίστοιχα Ni-cermets με υψηλά ποσοστά σε ύττρια και χαμηλά ποσοστά σε τιτάνια στην κεραμική φάση επέδειξαν εξαιρετική μακροχρόνια σταθερότητα της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, ενώ υπό τις συνθήκες λειτουργίας ενός SOFC (~900οC) η διάχυση του Ce προς το στερεό ηλεκτρολύτη 8YSZ είναι αμελητέα. / In the frame of research for the development of alternative, friendly to the environment methods for the production of energy, significant effort is focusing on SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) technology. This work aims to the development of new promising materials for their application as anode electrodes in solid oxide fuel cells operating at high temperatures (HT-SOFCs), as well as at the intermediate temperature range (IT-SOFCs). Concerning the HT-SOFCs, mixed ZrO2-based ceramic oxides of the ternary systems Y2O3-ZrO2-TiO2 (YZT), Y2O3-ZrO2-Nb2O5 (YZN) and Y2O3-ZrO2-CeO2 (YZC) were prepared, characterized and studied in terms of thermal expansion and electrical properties, as well as their potential application as the ceramic components in the anode cermet material of a SOFC, focusing on the Ni/YZT system containing 30, 40 and 45 vol% Ni. The results showed that Ni/YZT cermets exhibit improved mechanical adjustment with the solid electrolyte and enhanced structural stability compared to Ni/8YSZ while the values of the electrical conductivity remain practical constant after long-term annealing at 1000oC for up to 1000 h in reducing atmosphere (Ar/4%H2), especially for the cermets with high TiO2-content in the ceramic phase. Wetting experiments in the system of YZT ceramics in contact with Ni showed that TiO2 presence enhances the bond strength at the metal/ceramic interface, which results in the decrease of the agglomeration tendency of the metallic particles. Electrochemical tests performed on fuel cells with Ni/YZT anode cermets showed encouraging results, whereas it is remarkable that for a specific composition was achieved improved performance compared to Ni/8YSZ anode. With regard to the possible reduction of the operating temperature from 900-1000oC to 650-800°C and the development of IT-SOFCs, the study was focused on CeO2-based oxides and more specifically on the binary Y2O3-CeO2 (YC) and ternary Y2O3-CeO2-TiO2 (YCT) systems. The XRD analysis of the ceramic powders after heating at temperatures up to 1400°C in air showed the formation of the cubic fluorite structure for the YC ceramic, whereas for the YCT ceramics an additional phase (Y2Ti2O7) with pyrochlore structure was formed. The thermal expansion coefficient (TEC) of the ceramics measured in air between 25 and 1000°C gave comparable values, decreasing with increasing Ti content, while in Ar/4%H2 atmosphere the TEC values of the ceramics increase dramatically at T ≥ 800 °C. The absolute values of the total electrical conductivity of the ceramics measured between 450-900°C in Ar/4%H2 increase significantly compared to those measured in air, due to their mixed conducting ionic-electronic character. The ionic conductivity of the Y0.20Ce0.80-xTixO1.9 ceramics with low amounts of Ti, measured in air, is appeared strongly increased, by about half order of magnitude, compared to 8YSZ. The corresponding Ni-cermets with high amounts of yttria and low amounts of titania in the ceramic phase exhibit improved long-term stability of the electrical conductivity, while under the operating conditions of a SOFC (~ 900oC) no detectable diffusion of Ce4+ in the 8YSZ electrolyte was observed.

Στην παρούσα διατριβή διερευνήθηκε πειραματικά, η συμπεριφορά διατάξεων ενίσχυσης πλακοδοκών Οπλισμένου Σκυροδέματος, σε τέμνουσα, που αποτελούνται από το συνδυασμό τρίπλευρων μανδυών από Ινοπλισμένα Πολυμερή και αγκυρίων ινών. Πρόκειται για διατάξεις ενίσχυσης που λόγω της παρουσίας των αγκυρίων, καλούνται να υπερκεράσουν τις αδυναμίες της τεχνικής των «ανοικτών» μανδυών, δηλαδή της συνήθους τεχνικής ενίσχυσης πλακοδοκών σε τέμνουσα. Οι αδυναμίες της εν λόγω τεχνικής, οφείλονται στην ανεπαρκή αγκύρωση των άκρων του μανδύα. Η πειραματική διερεύνηση της συμπεριφοράς τέτοιων διατάξεων ενίσχυσης, έγινε με εφαρμογή τους σε τέσσερα δοκίμια πλακοδοκών Οπλισμένου Σκυροδέματος, και συγκρίθηκε με τη συμπεριφορά ενός δοκιμίου αναφοράς που δεν έφερε καμία διάταξη ενίσχυσης, καθώς και με τη συμπεριφορά ενός δοκιμίου ενισχυμένου μόνο με τρίπλευρο «ανοικτό» μανδύα ΙΟΠ, απουσία αγκυρίων. Όλα τα δοκίμια, υποβλήθηκαν σε μονοτονική φόρτιση μέσω συγκεντρωμένου φορτίου με φορά ώστε να προκαλείται θλίψη στο άνω πέλμα της δοκού, δηλαδή στην πλάκα, και οι συνθήκες στήριξης ήταν τέτοιες που να προσομοιώνουν αμφιέρειστη δοκό. Τα πρώτα Κεφάλαια της διατριβής αποτελούνται από την εισαγωγή, τη βιβλιογραφική ανασκόπηση και την περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας. Στα επόμενα Κεφάλαια, πέραν της παρουσίασης των πειραματικών αποτελεσμάτων, επιχειρείται ο προσδιορισμός της αποδοτικότητας με παράλληλη προσέγγιση της συμπεριφοράς των διατάξεων ενίσχυσης με έμφαση στον τρόπο με τον οποίον τα αγκύρια την επηρεάζουν. Στο τελευταίο Κεφάλαιο παρουσιάζεται ο κεντρικός άξονας της διατριβής περιλαμβάνοντας και τη σύνοψη των συμπερασμάτων. / In the present thesis, the effectiveness of shear strengthening schemes for T-Shaped RC beams, consisting of FRP U-Jackets and FRP anchors, was experimentally investigated. For this purpose, six full-scale of T-Shaped RC beams were produced. One specimen served as reference (unstrengthened) beam, whereas the remaining five received FRP U-jackets; out of the latter FRP anchors were used in four beams in order to enhance the effectiveness of the strengthening schemes, whereas no anchoring system was applied to the fifth beam. All specimens were tested under monotonic loading causing compression to the wide part of the section. The first chapter of this dissertation discusses the necessity of strengthening beams in shear and introduce the objective of the study. A relatively extended literature overview about shear strengthening with externally bonded reinforcement is included in the second chapter. The purpose of the third chapter is to describe the way the specimens were designed and constructed. The strengthening procedure, the experimental setup and the materials’ properties are also included in this chapter. The test results are presented and discussed in the fourth chapter. In the fifth chapter calculations regarding the effectiveness of the strengthening schemes are presented, along with an attempt to understand their general behavior while emphasizing on the way the FRP anchors affect it. The final chapter includes the general conclusions of the present study.